WO1999011576A1 - Verfahren und vorrichtung zur optimierten photochemischen behandlung von stoffen - Google Patents

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Erwin Thomanetz
Elisabeth SCHÖNHERR-THOMANETZ
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Gesellschaft für Chemischen und Technischen Umweltschutz mbH
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Definitions

  • the invention relates to a method and a device for the optimized photochemical treatment of substances optionally provided with additives, e.g. Wastewater, groundwater or waste by means of radiation and is used in particular for the inexpensive implementation of photochemical reactions or photochemically induced redox reactions.
  • additives e.g. Wastewater, groundwater or waste by means of radiation and is used in particular for the inexpensive implementation of photochemical reactions or photochemically induced redox reactions.
  • UV low-pressure lamps have been used to disinfect liquids.
  • Methods for the treatment of contaminated liquids in which UV radiation - in combination with oxidizing agents such as e.g. Ozone or
  • Hydrogen peroxide decomposes into short-lived, highly reactive radicals - especially OH radicals.
  • Hydrogen peroxide decomposition in contaminated liquids is used for the oxidation and elimination of unwanted waste or wastewater constituents.
  • Phosphorus III compounds converted to phosphate.
  • the UV lamp housed in a quartz protective tube is converted into those with oxidizing agents such as H 2 O 2 or ozone dipped liquid, or it irradiates a thin film of water at a spatial distance.
  • oxidizing agents such as H 2 O 2 or ozone dipped liquid
  • the surface contamination of the emitters or the protective tubes cannot ultimately be controlled, in spite of the complicated mechanical cleaning devices that are sometimes installed.
  • the penetration depth of UV radiation in cloudy waste water / liquid waste or in waste water with high concentrations of organic and inorganic ingredients is generally small and the UV-initiated reactions therefore take place in the area of the liquid near the surface - i.e. generally. in the millimeter or centimeter range.
  • the use of the radiation is inevitably limited to a few millimeters due to the thin, trickling water film.
  • the uniform and optimal surface temperature of the UV lamps over their entire length is particularly important for optimal UV intensity. Even slight deviations from this result in considerable losses in UV intensity.
  • the UV radiator for cooling purposes is therefore surrounded by at least one quartz protective tube, which absorbs a considerable proportion of the UV radiation - depending on the thickness of the quartz glass used - approximately 15% - and additionally costs.
  • the object of the present invention is therefore, with a structurally simple, energetically effective, inexpensive and maintenance-friendly device spatially separated from a radiation source, optionally provided with additives, in the presence of sufficient air and / or pure oxygen with radiation of high intensity and using a broad emission spectrum to irradiate so that with this method and this device, for example photochemically induced redox reactions for the quick and cost-effective elimination of problematic ingredients - to improve the biodegradability - in some cases also synthesis processes - can be carried out effectively.
  • Another object of the present invention is to take suitable measures by adding expensive oxidizing agents such as e.g. Restrict or refrain from hydrogen peroxide.
  • the material can be applied in a thick layer so that all radiation components are used at greater penetration depths.
  • the walls of the container can be equipped with textured surfaces and structured.
  • catalysts 9 such as e.g. Perforated copper sheets, unalloyed low-carbon steel or fillers with a catalytic and / or activating effect are introduced by means of appropriate coatings.
  • Air and / or oxygen can be added to the substance to be treated by means of any suitable device, for example, however, by means of a bubble-free entry system 10, consisting of a membrane which is permeable to oxygen and which is in the form of hollow fibers or tubes in the container Fabric - can be introduced.
  • hydrogen peroxide If hydrogen peroxide is added, it can also be generated with the aid of higher-frequency ultrasound directly in the liquid to be treated, and therefore at least one device for simple installation of an ultrasound generator 13 or at least one ultrasound generator can be attached to the container and / or to a storage container for the liquid his.
  • the emitter - preferably with a broad emission spectrum in the wavelength range from UV to IR - is integrated in an irradiation unit, then this consists of a housing 1 with one emitter 4 each, at least one reflector 3 and at least one cooling device 5, 2 for emitter, reflector and housing .
  • the radiator 4 is arranged horizontally - in parallel and at a short distance from the container 6 or the substance contained therein - and is operated without a protective or cooling tube.
  • a quartz protective screen can optionally be attached between the emitter and the material to be treated.
  • the radiator can be used, for example, in a treatment reactor which is suitable for carrying out this process and has a different process technology, e.g. in a centrifugal reactor with a centrally arranged radiator - can also be arranged vertically or in any position, without a reflector.
  • the radiator is cooled uniformly over its entire length by - adjustable in volume - sucked in or blown in atmospheric - air, which enters through - provided at a suitable location - light-tight cooling openings 5 and, after cooling of the radiator / reflector unit, flows out in free convection if necessary - or is suctioned off 2. This ensures that there is no temperature gradient along the radiator and the optimum surface temperatures are maintained over the entire length of the radiator.
  • the cooling openings 2, 5 can be provided on the housing of the radiation unit and / or on the container and can be provided with a dust filter device.
  • the air volume can e.g. can be varied depending on the radiator type by means of adjustable blower output or by appropriate adjustment of flaps on the cooling openings or on the exhaust air connection. Purely convective cooling with air is also possible.
  • the air additionally cools the reflector (s) 3 arranged above the radiator 4 and the entire radiator-reflector housing 1.
  • the air is also guided in such a way that the atmospheric oxygen and the substance to be treated have the largest possible contact areas and sufficient contact time is available so that the molecules, which are initially energetically excited by the influence of the radiation - both those of oxygen and those of the substance to be treated - can react with each other and thus contribute to the elimination of ingredients or to activation reactions. Different reactions overlap, which can also lead to chain reactions in the irradiated substance.
  • the use of emitters with parts of short-wave radiation produces hydrogen peroxide, a significant part of the oxidative degradation - including the OH radical-induced processes - is carried out according to current knowledge of oxygen, which is why the presence of oxygen or another electron acceptor is necessary.
  • the excess molecular oxygen required for the oxidation / redox reactions mainly comes from the air layer between the radiator and the substance / liquid 14 and is excited by the supply of energy.
  • radical, highly reactive oxygen species are formed.
  • hydroxyl radicals or hydrogen peroxide are formed in aqueous solution, which trigger further reaction chains, but the wastewater constituents to be broken down absorb radiation, which results in energy transfer reactions.
  • reactions predominate, which can be attributed, for example, to electrophilic addition, electron transfer reaction, radicalization or excitation of the wastewater or water constituents, excitation of atmospheric oxygen.
  • the radicals formed in the irradiated medium sometimes have a long lifespan and can gradually react further, which is why the substance / wastewater to be treated is, after a defined irradiation period - for a defined subsequent period - introduced into an intermediate container, from which it may be returned to the irradiation room is returned.
  • the intermediate container can be produced by a suitable partition in the container or consist of a second container.
  • the reflector unit 3 can also be cooled by means of cooling water.
  • the reflector unit which consists of at least one reflector 3b, is designed and arranged in such a way that a back reflection of the radiation into the radiation source 4 is largely ruled out and almost all of the radiation emitted by the emitter is deflected onto the substance / waste water in the container 6 and long radiation paths excluded are. That the reflector surface (s) - for example in the case of reflectors made of highly polished or anodized aluminum - does not lose (lose) their effect through corrosion processes due to the influence of aggressive media, the reflector surface can be vapor-coated with quartz or a reflector can be inserted gas-tight in a quartz protective tube 3a or in one gastight closed quartz tube.
  • the gas-tight reflector cover 3 a can be filled with nitrogen or any other suitable gas.
  • a cold light reflector 3 can be used, which allows heat radiation to pass through and mainly reflects radiation with maximum efficiency for photochemical treatment - or radiation components necessary for energetic excitation of oxygen and waste water constituents.
  • the reflector can consist of two or more parts, between which the cooling air can flow or can be blown in.
  • the permanently available high radiation output per unit area is of particular importance, which can be achieved for the first time with this device.
  • medium or high-pressure mercury lamps with an electrical connected load of 40,000 watts per meter of lamp length and a high proportion of short-wave radiation can be used with little technical effort.
  • the radiation unit If the radiation unit is connected to the container 6, it can either be opened 15 for maintenance (radiator replacement) or removed altogether from the container 6.
  • the walls of the container can be aerodynamically shaped so that, if necessary, roller flows transverse to the flow direction of the liquid to be treated can be realized.
  • These roller flows are preferably brought about by at least one motor-driven rotating cylinder which is located within the liquid over the entire length of the container.
  • this results in an intensive, splash-free mixing of the radiation to be irradiated Liquid and a constant exchange of the near-surface irradiated liquid layer causes.
  • the splash-free mixing of the substance / liquid can also be carried out by means of a magnetic stirrer 7 or any other suitable mixing technique, for example also by means of suitable additions and additions
  • the entire reactor is closed light-tight and can be mechanically
  • Device 8 are adjusted so that the substance / liquid evenly fills the container and also a splash-free flow of the liquid is possible at an adjustable speed.
  • the reactor allows the following operating modes for liquid substances:
  • the reactor can be connected to a container which serves as a storage container and from which the medium to be treated is pumped into the radiation chamber during operation and from there flows back into the container.
  • the substance to be treated is fed to the reaction vessel with a certain volume flow and has reached the treatment target after a certain time in the reactor.
  • the reactor is fed from a storage container or directly from the liquid source and the treated substance is discharged into a downstream control container.
  • Spotlight / reflector housing Connection piece for cooling air suction (different position depending on the air duct): Reflectors with adapted geometry (here housed in quartz protective tubes) 3 a: Quartz protective tube for the reflector

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Abstract

Verfahren und Vorrichtung zur optimierten photochemischen Behandlung von ggf. mit Additiven versehenen Stoffen mittels Strahlung, bestehend aus einem Bestrahlungsraum (6), in welchem der zu bestrahlende Stoff in Luftatmosphäre, in geringem Abstand an einer gekühlten Bestrahlungseinheit (1), vorbeigeführt wird, die keinen direkten Kontakt zu dem zu behandelnden Stoff besitzt und welche aus mindestens einer parallel so darüber angeordneten Reflektoreinheit (3) besteht, dass nahezu die gesamte emittierte Strahlung mit kurzen Strahlungswegen auf den zu bestrahlenden Stoff (14) gelenkt wird.

Description

Beschreibung
Verfahren und Vorrichtung zur optimierten photochemischen Behandlung von Stoffen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur optimierten photochemischen Behandlung von ggf. mit Additiven versehenen Stoffen wie z.B. Abwasser, Grundwasser oder Abfall mittels Strahlung und dient insbesondere der kostengünstigen Durchführung von photochemischen Reaktionen bzw. photochemisch induzierten Redoxreaktionen.
Stand der Technik
Seit der Jahrhundertwende wurden UV-Niederdruckstrahler zur Entkeimung von Flüssigkeiten eingesetzt. Später wurden Verfahren zur Behandlung verunreinigter Flüssigkeiten bekannt, bei welchen UV-Strahlung - in Kombination mit Oxidationsmitteln wie z.B. Ozon oder
Wasserstoffperoxid z.T. unter Zugabe von Katalysatoren und Aktivatoren - in den verschiedensten Bereichen, so z.B. auch bei der Abwasserbehandlung, zum Einsatz kam.
Das Verfahrensprinzip wird i.a. so erklärt, daß sich durch den Einfluß von UV-Strahlung -
Wasserstoffperoxid in kurzlebige, hochreaktive Radikale - insbesondere OH-Radikale zersetzt.
Die Effizienz dieser Reaktion wird mit ca. 50% angegeben.
Die oxidative Wirkung der OH-Radikale wird genutzt, indem die
Wasserstoffperoxid-Zersetzung in kontaminierten Flüssigkeiten zur Oxidation und Elimination von unerwünschten Abfall- bzw. Abwasserinhaltstoffen herangezogen wird.
Ausreichende Reaktionszeiten und Oxidationsmittel im Überschuß vorausgesetzt, reagieren
Kohlenwasserstoffe zu Kohlendioxid und Wasser. Organisch gebundener Schwefel und Sulfide werden zu Sulfat umgesetzt, organisch gebundene Halogene werden zu Halogenidionen,
Phosphor III- Verbindungen zu Phosphat umgewandelt.
Bei den derzeit am Markt angebotenen UV-Reaktoren zur Abwasserbehandlung wird der in ein Quarzschutzrohr eingehauste UV-Strahler in die mit Oxidationsmittel wie H2O2 oder Ozon versehene Flüssigkeit eingetaucht, oder er bestrahlt in räumlichem Abstand einen dünnen Wasserfilm. Bei den UV-Tauchstrahlerreaktoren ist die oberflächige Verschmutzung der Strahler bzw. der Schutzrohre trotz z.T. installierter komplizierter mechanischer Reinigungsvorrichtungen letztlich nicht beherrschbar.
Grundsätzlich ist die Eindringtiefe von UV-Strahlung in trüben Abwässern / Flüssigabfällen oder in Abwässern mit hohen Konzentrationen an organischen und anorganischen Inhaltsstoffen in der Regel klein und die UV-initiierten Reaktionen finden daher im oberflächennahen Bereich der Flüssigkeit statt - also i.a. im Millimeter- oder Zentimeterbereich. Bei einem Fallfilmreaktor ist - bedingt durch den dünnen rieselnden Wasserfilm - die Ausnutzung der Strahlung zwangsläufig auf wenige Millimeter limitiert. Bei Eindringtiefen der Strahlung in das Abwasser im Zentimeterbereich kann daher ein großer Teil der UV-Strahlung sowie Strahlung anderer Wellenlängen nicht genutzt werden, daher kann der Fallfilmreaktor für bestimmte Aufgabenstellungen nicht eingesetzt werden Zudem ist die verfahrenstechnische Realisierung von Fallfilmreaktoren verhältnismäßig aufwendig, die Bauhöhe zwangsläufig beträchtlich, was eine Aufstellung in niederen Räumen unmöglich macht.
Ausgehend von der UV-Technik ist für eine optimale UV-Intensität die gleichmäßige und optimale Oberflächentemperatur der UV-Strahler über ihre gesamte Länge besonders wichtig. Schon geringe Abweichungen hiervon bedingen erhebliche UV-Intensitätseinbußen. Bei allen bekannten UV- Verfahren in der Abwassertechnik ist daher der UV-Strahler zu Kühlzwecken von mindestens einem Quarzschutzrohr umgeben, welches einen beträchtlichen Anteil der UV-Strahlung absorbiert - je nach Dicke des verwendeten Quarzglases ca. 15% - und zusätzlich Kosten verursacht.
In den Patent Abstracts of Japan, C-960, July 8, 1992, Vol.16, No.310, zu JP 4-87636 A2 wird eine gekühlte UV-Strahler/ eflektoreinheit ohne Strahler-Quarzschutzrohr beschrieben, wie sie in dieser oder ähnlicher Anordnung heute bei verschiedenen industriellen Anwendungen z.B. bei der Lack- und Druckfarbenhärtung Stand der Technik ist. Die gezeigte Anordnung ist allerdings konstruktiv aufwendig zu realisieren und es resultieren bei der gezeigten Anordnung durch lange Strahlungswege erhebliche Strahlungsverluste. Im Bereich der Lichttechnik gab es in den letzten Monaten und Jahren einige auch bei der Abwasserbehandlung eingesetzte Neuentwicklungen betreffend unterschiedlicher Strahlertypen, welche im wesentlichen den monochromatischen Strahlern zuzuordnen sind. Zu erwähnen sind hier beispielsweise die Excimer-Strahler (Excited Dimer) mit einer jeweils scharfen Emissionslinie bei 172 nm oder 222 nm oder 308 nm.
Bei allen bekannten UV-Oxidationsverfahren erfolgt die Behandlung von Abwasser unter Zugabe von kostenintensiven Oxidationsmitteln wie Wasserstoffperoxid und/oder Ozon. Vielfach werden zur beschleunigten Aktivierung des Oxidationsmittels zusätzlich Katalysatoren und Aktivatoren zugegeben, was Schlammbildung verursacht und Nachbehandlungen notwendig macht.
Aufgabe der Erfindung
Die Aufgabe vorliegender Erfindung ist es daher, mit einer baulich einfachen, energetisch wirkungsvollen, kostengünstigen und wartungsfreundlichen Vorrichtung von einer Strahlungsquelle räumlich getrennte ggf. mit Additiven versehene Stoffe unter Anwesenheit von ausreichend Luft und/oder Reinsauerstoff mit Strahlung hoher Intensität und unter Ausnutzung eines breiten Emissionsspektrums so zu bestrahlen, daß mit diesem Verfahren und dieser Vorrichtung z.B. photochemisch induzierte Redoxreaktionen zur schnellen und kostengünstigen Elimination problematischer Inhaltsstoffe - zur Verbesserung der biologischen Abbaubarkeit - fallweise auch Syntheseprozesse - effektiv durchgeführt werden können. Eine weitere Aufgabe vorliegender Erfindung ist es, durch geeignete Maßnahmen die Zugabe von teuren Oxidationsmitteln wie z.B. Wasserstoffperoxid einzuschränken bzw. darauf zu verzichten.
Eine baulich einfache, kostengünstige Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist im folgenden anhand einer Skizze eines Reaktor-Querschnitts näher erläutert. Erfindungsgemäß wird in mindestens einem Bestrahlungsreaktor - aus korrosionsfestem, wärmebeständigem und gegenüber kurzwelliger Strahlung beständigem Material - der im wesentlichen aus mindestens einem Behälter 6 - mit Möglichkeiten der Stoffzufuhr und Stoffableitung 11, 12 - sowie mindestens einer über dem Behälter angeordneten Bestrahlungseinheit besteht, der Stoff, der fallweise mit Additiven versehen (sein) werden kann, so eingeleitet, daß bei flüssigen Stoffen kein oberflächiges Verspritzen der Flüssigkeit eintritt. Der Stoff kann in großer Schichtdicke vorgelegt werden, damit bei größeren Eindringtiefen alle Strahlungsanteile ausgenutzt werden.
Die Wände des Behälters können mit katalytisch wirkenden Oberflächen ausgestattet und strukturiert sein. Bei der Behandlung von flüssigen Stoffen können in den Behälter Katalysatoren 9 wie z.B. Kupfer-Lochbleche, unlegierter kohlenstoffarmer Stahl oder durch entsprechende Beschichtungen katalytisch und/oder aktivierend wirkende Füllkörper eingebracht werden. Dem zu behandelnden Stoff kann Luft und/oder Sauerstoff mittels jeder dafür geeigneten Vorrichtung zugegeben werden, beispielsweise aber mittels eines blasenfreien Eintragssystems 10, bestehend aus einer - für Sauerstoff permeablen - Membran, welche in Form von Hohlfasern oder Schläuchen in den Behälter - den zu behandelnden Stoff - eingebracht werden kann.
Wird Wasserstoffperoxid zugegeben, so kann es auch mit Hilfe von höherfrequentem Ultraschall direkt in der zu behandelnden Flüssigkeit erzeugt werden, daher kann an dem Behälter und/oder an einem Vorlagebehälter für die Flüssigkeit mindestens eine Vorrichtung zur einfachen Installation eines Ultraschallgenerators 13 oder mindestens ein Ultraschallgenerator angebracht sein.
Ist der Strahler - vorzugsweise mit breitem Emissionsspektrum im Wellenlängenbereich von UV bis IR - in eine Bestrahlungseinheit integriert, so besteht diese aus einem Gehäuse 1 mit jeweils einem Strahler 4, mindestens einem Reflektor 3 und mindestens einer Kühlvorrichtung 5, 2 für Strahler, Reflektor und Gehäuse. Bei dieser Anordnung und diesem Reaktortyp ist der Strahler 4 horizontal - parallel und in geringem Abstand zum Behälter 6 bzw. zum darin befindlichen Stoff - angeordnet und wird ohne Schutz- bzw. Kühlrohr betrieben. Für bestimmte Aufgabenstellungen kann eine Quarzschutzscheibe zwischen Strahler und zu behandelndem Stoff optional angebracht werden.
Der Strahler kann bei einem zur Durchführung dieses Verfahrens geeigneten, verfahrenstechnisch anders realisiertem Behandlungsreaktor z.B. in einem Zentrifugalreaktor mit zentrisch angeordnetem Strahler - ebenso vertikal oder in jeder beliebigen Stellung angeordnet sein wobei hier auf einen Reflektor verzichtet wird..
Die Kühlung des Strahlers erfolgt gleichmäßig über dessen gesamte Länge durch - im Volumen veränderbare - angesaugte oder eingeblasene atmosphärische - Luft, welche über - an geeigneter Stelle angebrachte - lichtdichte Kühlöffnungen 5 eintritt und nach Kühlung von Strahler/Reflektoreinheit ggf. in freier Konvektion abströmt - oder abgesaugt wird 2. Hierdurch wird bewirkt, daß sich kein Temperaturgradient längs des Strahlers einstellt und die optimalen Oberflächentemperaturen über die gesamte Strahlerlänge eingehalten werden. Die Kühlöffnungen 2, 5 können am Gehäuse der Bestrahlungseinheit und/oder an dem Behälter angebracht und mit einer Staubfiltervorrichtung versehen sein.
Das Luftvolumen kann z.B. durch einstellbare Gebläseleistung oder durch entsprechende Einstellung von Klappen an den Kühlöffnungen oder an den Abluftstutzen je nach Strahlertyp variiert werden. Auch eine rein konvektive Kühlung mit Luft ist möglich. Die Luft kühlt zusätzlich den (die) über dem Strahler 4 angeordneten Reflektor(en) 3 und das gesamte Strahler-Reflektorgehäuse 1.
Die Luft wird zudem so gefuhrt, daß der Luftsauerstoff und der zu behandelnde Stoff möglichst große Kontaktflächen aufweisen sowie ausreichend Kontaktzeit zur Verfügung steht, damit die durch den Einfluß der Strahlung zunächst energetisch angeregten Moleküle - sowohl die des Sauerstoffs als auch die des zu behandelnden Stoffs - miteinander reagieren können und damit zur Elimination von Inhaltsstoffen bzw. zu Aktivierungsreaktionen beitragen. Es überlagern sich dabei unterschiedliche Reaktionen, welche u.a auch zu Kettenreaktionen im bestrahlten Stoff fuhren können. Zwar entsteht beim Einsatz von Strahlern mit Anteilen an kurzwelliger Strahlung Wasserstoffperoxid jedoch wird ein wesentlicher Teil des oxidativen Abbaus - auch der OH-Radikal-induzierten Prozesse - nach heutigen Erkenntnissen von Sauerstoff geleistet, daher ist die Anwesenheit von Sauerstoff oder eines anderen Elektronenakzeptors notwendig. Der für die Oxidations/Redoxreaktionen benötigte, im Überschuß vorhandene molekulare Sauerstoff stammt hauptsächlich aus der Luftschicht zwischen Strahler und Stoff/Flüssigkeit 14 und wird durch Energiezufuhr angeregt. Es entstehen unter anderem radikalische, hochreaktive Sauerstoffspezies. In wässriger Lösung werden nicht nur beispielsweise Hydroxylradikale oder Wasserstoffperoxid gebildet, die weitere Reaktionsketten auslösen, sondern die abzubauenden Abwasserinhaltsstoffe absorbieren Strahlung, wodurch Energieübertragungsreaktionen resultieren. Je nach zu behandelndem Stoff überwiegen Reaktionen, die z.B. auf elektrophile Addition, Elektronentransferreaktion, Radikalisierung oder Anregung der Abwasser- bzw. Wasserinhaltsstoffe, Anregung des Luftsauerstoffs zurückzuführen sind. Die im bestrahlten Medium gebildeten Radikale haben z.T. eine lange Lebensdauer und können sukzessive weiterreagieren, weshalb fallweise der zu behandelnde Stoff/das Abwasser nach einer definierten Bestrahlungszeit - für eine definierte Folgezeit - in einen Zwischenbehälter eingebracht wird, von welchem er ggf. wieder in den Bestrahlungsraum zurückgeführt wird. Der Zwischenbehälter kann durch eine geeignete Trennwand im Behälter hergestellt werden oder aus einem zweiten Behälter bestehen. Die Kühlung der Reflektoreinheit 3 kann auch mittels Kühlwasser erfolgen. Die Reflektoreinheit, die aus mindestens einem Reflektor 3b besteht ist so beschaffen und angeordnet, daß eine Rückreflexion der Strahlung in die Strahlungsquelle 4 weitgehend ausgeschlossen und nahezu die gesamte vom Strahler emittierte Strahlung auf den Stoff/das Abwasser in dem Behälter 6 umgelenkt wird und lange Strahlungswege ausgeschlossen sind. Daß durch den Einfluß aggressiver Medien die Reflektoroberfläche(n) - beispielsweise bei Reflektoren aus hochpoliertem oder eloxierten Aluminium - durch Korrosionsvorgänge ihre Wirkung nicht verliert (verlieren), kann die Reflektoroberfläche mit Quarz bedampft sein oder jeweils ein Reflektor gasdicht in ein Quarzschutzrohr 3a eingebracht oder in einem gasdicht geschlossenen Quarzrohr angebracht sein. Die gasdichte Reflektorhülle 3 a kann mit Stickstoff oder jedem geeigneten anderen Gas gefüllt sein. Je nach Aufgabenstellung und Strahlertyp kann ein Kaltlichtreflektor 3 eingesetzt werden, welcher Wärmestrahlung passieren läßt und vorwiegend Strahlung mit maximalem Wirkungsgrad für die photochemische Behandlung - bzw. für die energetische Anregung von Sauerstoff und Abwasserinhaltsstoffen notwendige Strahlungsanteile - reflektiert. Der Reflektor kann aus zwei oder mehr Teilen bestehen, zwischen welchen die Kühlluft abströmen kann oder eingeblasen werden kann. Insbesondere bei schwer oxidierbaren Flüssigkeits- Abfallinhaltsstoffen kommt der dauerhaft verfügbaren hohen Strahlungsleistung pro Flächeneinheit eine besondere Bedeutung zu, welche erstmals mit dieser Vorrichtung erreicht werden kann. So können z.B. Quecksilber Mittel- bzw. Hochdruckstrahler mit einer elektrischen Anschlußleistung von 40.000 Watt pro Meter Strahlerlänge und hohem Anteil an kurzwelliger Strahlung mit geringem technischen Aufwand eingesetzt werden.
Da bei diesem Verfahren ein breites Emissions-Spektrum des Strahlers vom kurzwelligen über den sichtbaren Bereich bis in den Infrarotbereich wichtig ist, kann je nach Aufgabenstellung und zu behandelndem Stoff ein Strahler mit unterschiedlichen Emissionsmaxima eingesetzt werden.
Ist die Bestrahlungseinheit mit dem Behälter 6 verbunden, so kann sie zur Wartung (Strahlertausch) entweder aufgeklappt 15 oder insgesamt von dem Behälter 6 entfernt werden. Im Falle der Behandlung von flüssigen Stoffen befindet sich an dem Behälter ein Zu- und ein Ablauf 11, 12 für die zu behandelnde Flüssigkeit mit welchen der Flüssigkeitspegel bzw. der Durchfluß in dem Behälter variiert werden kann.
Die Wände des Behälters können strömungsgünstig geformt sein, so daß ggf. Walzenströmungen quer zur Strömungsrichtung der zu behandelnden Flüssigkeit zu realisieren sind. Diese Walzenströmungen werden vorzugsweise durch mindestens einen motorisch angetriebenen rotierenden Zylinder bewirkt, welcher sich über die gesamte Behälterlänge innerhalb der Flüssigkeit befindet. Insbesondere bei tiefer ausgebildeten Behältern mit höherem Wasserstand wird so eine intensive, verspritzungsfreie Durchmischung der zu bestrahlenden Flüssigkeit und ein ständiger Austausch der oberflächennahen bestrahlten Flüssigkeitsschicht bewirkt. Hierdurch wird erreicht, daß auch bei tiefer ausgebildeten Behältern alle Moleküle bzw. alle Inhaltsstoffe der Flüssigkeit von der Strahlung getroffen werden. Bedarfsweise kann die verspritzungsfreie Durchmischung des Stoffs/der Flüssigkeit auch mittels Magnetrührer 7 oder jeder anderen geeigneten Mischungstechnik, z.B. auch durch geeignete Zu- und
Ableitung des Stoffes erfolgen.
Der gesamte Reaktor ist lichtdicht geschlossen und kann mittels einer mechanischen
Vorrichtung 8 so justiert werden, daß der Stoff/die Flüssigkeit den Behälter gleichmäßig erfüllt und zudem ein spritzfreies Fließen der Flüssigkeit mit einstellbarer Geschwindigkeit möglich wird.
Der Reaktor erlaubt bei flüssigen Stoffen folgende Betriebsweisen:
- Chargenbetrieb durch Rühren der Flüssigkeit im Reaktionsbehälter bis zur Erreichung der Behandlungsziele. Dabei kann der Reaktor mit einem Behälter verbunden sein, der als Vorratsbehälter dient und von dem aus bei Betrieb das zu behandelnde Medium in den Bestrahlungsraum gepumpt wird und von dort aus wieder in den Behälter zurückfließt.
- Kontinuierlicher Betrieb. Der zu behandelnde Stoff wird dem Reaktionsbehälter mit einem bestimmten Volumenstrom zugeführt und hat das Behandlungsziel nach einer bestimmten Aufenthaltszeit im Reaktor erreicht. Hierzu wird der Reaktor aus einem Vorlagebehälter oder direkt aus der Flüssigkeitsquelle gespeist und der behandelte Stoff wird in einen nachgeschalteten Kontrollbehälter entlassen.
Die Ableitung evtl. entstehender Abgase oder Gerüche erfolgt entweder aus dem Bestrahlungsraum oder aus o.g. Vorratsbehälter.
Durch die vorliegende Erfindung werden kurze Reaktionszeiten erreicht, der Platzbedarf für einen Reaktor - mehrere Reaktoren - ist gering, der Montage- und Wartungsaufwand ist äußerst gering. Dadurch werden u.a. beträchtliche Energie-, Raum- Material- und Personalkosten eingespart. Zeichenerklärung zur Prinzipskizze Querschnitt Photochemischer Reaktor
: Strahler/Reflektorgehäuse : Anschlußstutzen für Kühlluft-Saugzug (je nach Luftführung unterschiedliche Position) : Reflektoren angepasster Geometrie (hier in Quarz-Schutzrohre eingehaust) 3 a: Quarz-Schutzrohr für den Reflektor
3 b: Reflektor im Quarz-Schutzrohr positioniert : Strahler : Lichtdichter Kühlluft-Einlaß, ggf. mit Staubfilter : Behälter fürden zu bestrahlenden Stoff : Spritzfreie Umwälzeinrichtung für für flüssige Stoffe (M = Motor) : Justiervorrichtung für den Reaktor : Katalysatorelemente : Blasenfreies Sauerstoff-Eintragssystem : Stoffeinspeisung : Stoffaustrag : Ultraschallgenerator (Option) : Oberfläche des Stoffs : Vorrichtung zum Aufklappen des Reaktor-Bestrahlungsteils

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Behandlung von Stoffen, insbesondere von flüssigen Stoffen in großer Schichtdicke, bei welchem einer oder mehrere über die gesamte Länge gleichmäßig luftgekühlte Strahler 4 mit hoher Strahlungsleistung und mit hohem Anteil an kurzwelliger Strahlung eingesetzt werden, welche die Oberfläche des Stoffes 14 bestrahlen.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine spritzfreie Durchmischung des flüssigen Stoffes erfolgt und Oxidationsmittel zugeführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das zugeführte Oxidationsmittel Sauerstoff ist.
4. Verfahren nach vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß in aquatischen Systemen Oxidationsmittel wie z.B. Wasserstoffperoxid mit Hilfe von Ultraschall 13 oder Anteilen an kurzwelliger Strahlung 4 direkt in der zu behandelnden Flüssigkeit erzeugt wird.
5. Verfahren nach vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß der zu bestrahlende Stoff mit Katalysatoren 9 in Kontakt gebracht wird.
6. Verfahren nach vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß der bestrahlte Stoff zur Nachreaktion in einen Nachreaktionsbehälter eingebracht wird.
7. Reaktor zur Behandlung von Stoffen, insbesondere von flüssigen Stoffen, die mit Additiven versehen sein (werden) können, insbesondere Abwasser, Grundwasser und Abfall, mit folgenden Merkmalen:
- einem Bestrahlungsraum aus UV- und wärmebeständigem Material, bestehend aus
- einem oben offenen Behälter 6
- einer über dem Behälter angeordneten Bestrahlungseinheit, die aus
- mindestens einer Stahlungsquelle 4 mit hoher Strahlungsleistung
- mindestens einem über dem Strahler angeordneten Reflektor 3 und
- mindestens einer Kühlvorrichtung 2, 5 für Strahler 4 und Reflektor 3 besteht, so daß Strahler und Reflektor gleichmäßig mittels Luft gekühlt werden und die Kühlluft mit dem zu behandelnden Stoff große Kontaktflächen 14 aufweist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß über der Strahlungsquelle 4 mindestens ein Reflektor 3b, der gasdicht in ein Quarzschutzrohr 3a eingebracht ist oder dessen Oberfläche zur Vermeidung von Schäden mit Quarz bedampft ist und welcher gute Reflexionseigenschaften insbesondere auch für kurzwellige Strahlung besitzt, so angeordnet ist, daß nahezu die gesamte Strahlung, die nicht direkt den Stoff bestrahlt, mit kurzen Strahlungswegen auf den zu bestrahlenden Stoff umgelenkt wird.
9. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß sich in dem Behälter 6 eine spritzfreie Rühr- oder Mischeinrichtung 7 befindet und daß der Behälter über einen Zu- 1 lund Ablauf 12 verfügt.
10. Vorrichtung nach vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß lichtdichte Kühlluft-Eintrittsöffnungen 5 an der Bestrahlungseinheit vorhanden sind, die mit einem Staubfilter versehen sein können und der Volumenstrom des Kühlmediums einstellbar ist.
11. Vorrichtung nach vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß die Wände des Behälters mit katalytisch wirkenden Oberflächen ausgestattet sind und/oder katalytisch wirkende Körper 9 in den Behälter eingebracht werden und daß der Behälter strömungsgünstig geformt ist.
12. Vorrichtung nach Anspruch 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils ein Reflektor 3 im wesentlichen aus zwei oder mehr Teilen besteht, zwischen welchen Kühlluft durchströmen kann und daß durch den(die) Reflektor(en) Wärmestrahlung passiert und daß die Kühlung des Reflektors mittels Luft und/oder mit Wasser erfolgt .
13. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem zu bestrahlenden Stoff und der Strahlungsquelle eine Quarzschutzscheibe über die gesamte Länge eingebaut ist.
14. Vorrichtung nach vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß der Bestrahlungsreaktor mittels einer mechanischen Vorrichtung 8 justiert werden kann und die Bestrahlungseinheit mit dem Behälter verbunden werden, aufgeklappt werden 15 und insgesamt von dem Behälter entfernt werden kann.
15. Vorrichtung nach vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß ein Vorlageoder Zwischenbehälter vorhanden ist, aus welchem die zu bestrahlende Flüssigkeit in den Behälter gefördert werden kann und/oder ein weiterer Behälter oder Behälterteil vorhanden ist, in welchen der behandelte Stoff für Nachreaktionen eingebracht wird.
16. Vorrichtung nach vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß am Behälter des Bestrahlungsreaktors mindestens ein Ultraschallgenerator 13 angebracht ist.
17. Vorrichtung vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß dem zu behandelnden Stoff Sauerstoff mittels eines blasenfreien Eintragsystems 10 zugeführt wird.
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