WO2009006993A2 - Reaktor zur hochspannungsimpulstechnischen desinfektion bakterienverseuchter flüssigkeiten und verfahren dazu - Google Patents

Reaktor zur hochspannungsimpulstechnischen desinfektion bakterienverseuchter flüssigkeiten und verfahren dazu Download PDF

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Definitions

  • the invention relates to a .Reactor for high-voltage impulse disinfection of bacteria-contaminated liquids and a method for operating the reactor.
  • ozone as the sole disinfectant requires very high doses to achieve effective disinfection.
  • ozone When ozone is used, considerable amounts of toxic compounds are formed, especially in the presence of bromides.
  • the invention has for its object to provide a reactor with which a highly effective, high-voltage impulse-technical method for disinfecting bacterially contaminated water, generally bacterially contaminated liquids, can be performed.
  • a reactor should be a technically and structurally simple device that does not require additional peripheral protective devices.
  • the object is achieved by a reactor having the features of claim 1 and the method thereby feasible according to the method steps of claim Vl.
  • the invention provides a reactor and a method to disinfect bacterially contaminated liquids, especially bacterially contaminated water ,, using pulsed underwater corona discharges effectively, or kill germs effectively.
  • the underwater corona discharge creates a non-thermal plasma channel, in the device here: many non-thermal plasma channels in which the electrons reach energies of a few eV. Electrons with these energies can cleave / dissociate and ionize water molecules and thereby generate various, very reactive radicals, such as: 'OH, H', O ', HO 2 -, and molecules: H 2 O 2 , H 2 and O 3 , produce.
  • the plasma channel is a source of intense UV radiation and shock waves, which in turn leads to the production of free radicals.
  • At the top of the plasma channel are electrical Fields of more than 200 MV / cm reaching the membrane biological
  • the invention solves the problem of fission / germ killing by producing a plurality of corona channels, also known as streamer channels in technical language, on an anode coated with a thin porous ceramic layer.
  • the reactor for the high voltage impulse disinfection of bacteria-contaminated liquids is constructed as follows:
  • It consists of a pipe section which can be flanged on at its two end faces and has a light, simply polygonal, but at least rectangular cross section or a light, simply convex, round cross section.
  • a with respect to the longitudinal axis of the pipe section parallel electrode arrangement of two vertically and with respect to the longitudinal axis mirror image opposing, electrically isolated from each other electrode bands over most of the length of the pipe section and the polygonal cross section over at most the width of the polygon side.
  • the lateral surfaces in polygonal cross-section are preferably flat.
  • One electrode is connected to an electrical reference potential, often ground potential, and the other, the high voltage electrode, to a pulse-shaped, in the time duration and height adjustable electrical high voltage potential.
  • the high-voltage electrode is covered with a porous ceramic layer on the surface exposed to the inside or exposed to the counterelectrode.
  • the reactor may also consist of a with respect to the longitudinal axis of the pipe section coaxial / concentric electrode assembly of the at least electrically conductive inner wall, the outer conductor, and the coaxial inner conductor. Then one of them, preferably the outer conductor, can be connected to an electrical reference potential and the inner conductor can be connected to an electrical high-voltage potential which can be set in the time duration and height. But even in this design, the high-voltage electrode on the exposed surface to the opposite electrode with a porous ceramic layer, as described above, covered. In all designs, the layer thickness of the porous ceramic layer is in the range of 100 to 300 microns.
  • the two electrodes have a distance to each other such that at the exposed surface of the ceramic layer during the presence of the electrical high voltage potential at the high voltage electrode, an electric field strength of at least 1 MV / cm without flashover.
  • This provides a receptive guide to electrical and structural dimensioning on a case-by-case basis in order to be able to process planned flow rates as planned. An embodiment will be described below. It is essential that no breakdown, ie a short circuit, takes place during the pulse duration. However, many streamer form during the high voltage pulse between and along the filled with liquid to be processed electrode gap.
  • the high voltage pulse generator and the reactor are on the one hand simply connected.
  • an electrically constantly changing load then might be necessary electrical measures to protect the generator from problematic reflections. With only slightly changing load, such a reflection protection can be easily solved by impedance matching between the generator and the reactor.
  • At least one connecting piece is attached to the two end regions of the reactor space.
  • the inner conductor is connected to a high voltage pulse generator.
  • the tube wall, at least the electrically conductive tube inner wall is connected to a reference potential, usually ground potential, so that can be omitted at ground potential surrounding safety shields.
  • the ceramic layer reliably adheres to the inner conductor, as in the streamer discharge consistently shock waves.
  • the ceramic and the inner conductor material do not have different thermal expansion coefficients of the ambient temperature to the operating temperature, preferably they are similar to the same.
  • At least the inner surface of the reactor space must be inert, or the reactor must be constructed from such materials (claim 5).
  • the bacteria-contaminated liquid to be processed is either flowed through a tubular cavity or introduced into such a charging manner, which is constructed according to one of claims 1 to 6.
  • the electrodes facing each other in the cavity form the clear area in which high-voltage pulsation of one of the two electrodes forms the pulsed electrical field required for processing.
  • the high voltage bulbous electrode is the electrode coated with the porous ceramic layer.
  • the contaminated, electrically to be processed liquid is exposed during flow or thrust operation during a Hochnapssim- pulse thereby caused a variety of the exposed ceramic layer outgoing electrical corona discharges along the high potential overhead conductor.
  • a pulsed electric field strength of at least 1 MV / cm is generated on the exposed ceramic surface at the potential-high electrode without provoking a flashover to the opposite electrode to the reference potential.
  • the reactor is a coaxial, length-limited electrode assembly.
  • a qualitative specification of the electrode spacing is the avoidance of a single flashover and thus a short shot during the duration of the high voltage pulse. Decisive is the multiple radial streamer formation or tuft discharge in the electrode gap. The electrode spacing is determined by the required Lumen besatz and given to be adapted pulse amplitude.
  • the electrode spacing is 3 - 5 cm. Since the specific resistance of the water layer is small compared to the resistivity in the ceramic layer - it is determined only by the conductivity of the liquid in the pores of the ceramic - much of the entire pulse voltage drops over the ceramic layer.
  • the occurrence of the streamer requires a field strength of at least 1 mV / cm at the surface of the ceramic. For example, this is achieved by a 50-100 kV pulse as exemplified above electrode spacing.
  • a Blumlein arrangement is suitable.
  • a capacitor bank or a Marx generator can be used as a high voltage pulse source.
  • the impedance of the generator is matched to the impedance of the reactor to avoid reflections into the generator.
  • the pulse rate goes up to 10 Hz.
  • Oxygen and edegases are suitable, for example.
  • the chemical reactions that occur in underwater corona discharges are very similar to those of electron beam, X-ray or gamma ray as well as ultrasonic treatment.
  • the advantage of underwater corona treatment is the combination with other effects, such as UV radiation, shock waves, high electric fields, which leads to an increase in efficiency and in the lower equipment and operating costs.
  • the advantage of the disinfection process is the high specific decontamination rates.
  • Experimental results with bacteria of the strain Pseudomasputida show that for a reduction of the bacterial concentration by 6 orders of magnitude a specific electrical energy of 5.5 kWh / m 3 is required. This result is due to the combination effect of Oxidants, UV radiation, shock waves and strong electric fields generated by streamer discharges.
  • Figure 1 shows the block diagram of the disinfection system for sterilization
  • Figure 2 shows the reactor for sterilization
  • FIG. 3 front view of a burning underwater corona discharge in the reactor.
  • FIG. 1 shows an example of a system for high voltage impulse disinfection of a bacteria-contaminated liquid, here water, which is introduced from a sewer.
  • a bacteria-contaminated liquid here water
  • FIG. 1 On the left in the picture is shown in blocks:
  • the controlled power supply the device for generating electrical high-voltage pulses, here a Blumleingenerator, with measuring sensors, centrally the reactor in coaxial design, and connected to the reactor analysis device for studying the state of the process to be processed, bacteria-contaminated liquid by the action of underwater corona discharges.
  • the two outputs of the Blumleinimpulsgenerators are connected to the reactor:
  • the high voltage output is connected via the implementation of the reactor tube with the coaxially seated, ceramic-coated inner conductor.
  • the reactor tube is made of stainless steel.
  • a quartz window hermetically seals the interior of the reactor via a respective flange on the two end faces so that the processes in it can be visually observed.
  • the two flanges have electrically conductive contact with the pipe wall, therefore, the reference potential of Blumlein- pulse generator is electrically connected to the nearest flange.
  • the nozzles for the discharge and discharge of the wastewater to be processed are not indicated, but the reactor - S - interior space for the process filled with it.
  • About the peristaltic pump samples are taken from the reactor room, flowed into the quartz cuvette for spectrophotometric examination and pumped back into the reactor room.
  • the coaxially seated inner conductor is made of titanium and coated with the ceramic Almandine 200 microns thick via a primer layer.
  • the reactor is illustrated in detail in terms of design.
  • the essential exemplary reactor dimensions are listed below.
  • the high voltage connection is designed here for ⁇ 50 kV.
  • the nozzle In the two near-end areas are the nozzle through which the wastewater is introduced and discharged, so that the wastewater to be processed forcibly and in large quantities must flow through the effective electrode gap.
  • the Flanged diagnostic device which is not indicated here.
  • the left side, with the reactor wall 2, the outer conductor 2, connected on the left flange piece 14 has the spacer ring 5 for mecanice- lektrodenfixierun inserted.
  • the inlet nozzle 4 for the liquid to be processed is welded on the shell wall side.
  • the right-side in the picture, also connected to the reactor wall 2, the outer conductor 2 flange piece 15 has welded on its jacket wall the outlet connection 4 and against the bushing 6 for the high voltage.
  • the front-side quartz glass windows 12 are pressed hermetically sealed against the reactor tube 2 via Flanschschraubklammern 19 via each of the flange 13 and sealing rings 16.
  • the electrodes 1, 2 of the reactor space are arranged coaxially as in a Koaxialcreme published and direct when exposed to the inner electrode 1 with high voltage potential to the outer electrode 2, the radial electric process field.
  • the outer conductor 2, the reactor wall 2 is connected to an electrical reference potential, here earth potential.
  • the inner conductor 2 is seated centered and is supported on one end over the support 11 and on the other, in the image right front side over the designed as a plug-in device high-voltage electrical implementation with its components:
  • FIG. 4 shows the photographic snapshot of the corona discharge, thus emphasizing the effect in the reactor chamber of annular light cross-section.

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Abstract

Es wird ein Reaktor zur hochspannungsimpulstechnischen Desinfektion bakterienverseuchter Flüssigkeiten vorgestellt: er hat einen konvexen, einfach polygonalen oder runden Querschnitt und eine parallele Elektrodenanordnung aus zwei sich senkrecht und bezüglich der Längsachse spiegelbildlich gegenüberstehenden, elektrisch voneinander isolierten Elektrodenbändern. Eine Elektrode ist an ein elektrisches Bezugspotential und die andere, die Hochspannungselektrode, an ein in der Zeitdauer und Höhe einstellbares elektrisches Hochspannungspotential angeschlossen. Oder die Elektrodenanordnung ist koaxial mit Innen- und Aussenleiter aufgebaut. Auf der mit Hochspannungspotential beaufschlagbaren Elektrode (1) befindet sich eine 100 bis 300 μm dicke Keramikschicht. Beide Elektroden (1, 2) stehen sich mit einem derartigen Höchstabstand gegenüber, dass sich bei Beaufschlagung mit Hochspannungspotential durch die Hochspannung zwischen den beiden Elektroden (1, 2) in jedem Fall kein Funkenüberschlag ausbildet, aber auch mit einem Mindestabstand derart, dass es an der exponierten Oberfläche der Keramikschicht während des Anstehens des elektrischen Hochspannungspotentials an der Hochspannungselektrode (1) zur Ausbildung einer Maximalfeldstärke von mindestens 1 MV/cm ohne Funkenüberschlag kommt.

Description

Reaktor zur hochspannungsimpulstechnischen Desinfektion bakterienverseuchter Flüssigkeiten und Verfahren dazu
Die Erfindung betrifft einen .Reaktor zur hochspannungsimpulstechnischen Desinfektion bakterienverseuchter Flüssigkeiten und ein Verfahren zum Betreiben des Reaktors .
Zur Wasserdesinfektion werden heute überwiegend Chlor und seine Verbindungen eingesetzt. Dabei können sich gesundheitsschädliche chemische Nebenprodukte bilden, die schwierig biologisch abzubauen sind. Dies trifft insbesondere dann zu, wenn das belastete Wasser erhebliche Mengen organischer Substanzen enthält. Daher werden zunehmend chemische Verfahren zur Wasserdesinfektion durch physikalische Verfahren ersetzt.
Herkömmliche chemische Desinfektionsverfahren können zu unerwünschten toxischen Nebenprodukten, wie Trihalomethan, THM, oder Brom-Chlor- Verbindungen führen. Dies trifft insbesondere dann zu, wenn das Wasser sehr viel organisches Material enthält.
Die Verwendung von Ozon als alleiniges Desinfektionsmittel erfordert sehr hohe Dosen, um eine effektive Desinfektion zu erreichen. Bei Verwendung von Ozon entstehen erheblichen Mengen an toxischen Verbindungen, insbesondere bei Anwesenheit von Bromiden.
Bei der Verwendung von Gamma- , Röntgen- oder Elektronenbestrahlung ist die Effizienz meist sehr gering und die Apparat- und Betriebskosten deshalb sehr hoch, insbesondere auch, weil eine wirksame Strahlenabschirmung erforderlich ist.
UV-Bestrahlung ist in trüben Wässern wegen zu geringer Eindringtiefe nicht effektiv und kann außerdem zu unkontrollierbaren mutagenen Veränderungen des bakteriellen Erbguts führen. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Reaktor zur Verfügung zu stellen, mit dem ein hochwirksames, hochspannungsimpulstechnisches Verfahren zur Desinfektion bakteriell verseuchten Wassers, ganz allgemein bakteriell verseuchte Flüssigkeiten, durchgeführt werden kann. Darüber hinaus soll ein solcher Reaktor eine technisch und konstruktiv einfache Einrichtung sein, die ohne zusätzliche periphere Schutzeinrichtungen auskommt.
Die Aufgabe wird durch einen Reaktor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und dem damit durchführbaren Verfahren gemäß den Verfahrensschritten des Anspruchs Vl gelöst.
Die Erfindung stellt einen Reaktor und ein Verfahren vor, bakteriell verseuchte Flüssigkeiten, insbesondere bakteriell verseuchtes Wasser,, mit Hilfe gepulster Unterwasserkoronaentladungen wirksam zu desinfizieren, bzw. Keime darin wirksam abzutöten.
Unterwasserkoronaentladungen wurden bisher hauptsächlich zur Zerstörung komplexer chemischer Substanzen untersucht. Für diese Grundlagenuntersuchungen wurden meist Spitze Platte-Anordnungen herangezogen. Solche Elektrodenkonfigurationen haben kurze Lebensdauern, da die Elektrodenspitzen rasch abbrennen. Auch lassen sich solche Elektrodengeometrien nicht zu den hohen Massendurchsätzen skalieren, die für eine industrielle Nutzung zur Flüssigkeitsdesinfektion erforderliche sind.
Bei der Unterwasserkoronaentladung entsteht ein nichtthermischer Plasmakanal, in der Einrichtung hier: viele nichtthermische Plasmakanäle, in dem die Elektronen Energien von einigen eV erreichen. E- lektronen mit diesen Energien können Wassermoleküle spalten/dissoziieren und ionisieren und dadurch verschiedene, sehr reaktive Radikale, wie: 'OH, H', O', HO2-, und Moleküle: H2O2, H2 und O3, erzeugen. Zusätzlich ist der Plasmakanal eine Quelle für intensive UV-Strahlung und Stoßwellen, die ihrerseits zur Produktion freier Radikale führen. An der Spitze des Plasmakanals werden elektrische Felder von mehr als 200 MV/cm erreicht, die die Membran biologischer
Zellen durch Elektroporation zerstören. Die Kombination dieser Effekte führt zu einer sehr wirksamen Abtötung von Mikroorganismen/Keimen und darüber hinaus zur Zerstörung toxischer organischer Substanzen in der Flüssigkeit, im Wasser.
Die Erfindung löst das Problem der Spaltung/Keimabtötung durch die Erzeugung einer Vielzahl von Koronakanälen, in der Fachsprache auch Streamerkanäle genannt, an einer mit einer dünnen porösen Keramikschicht beschichteten Anode.
Gemäß Anspruch 1 ist der Reaktor zur hochspannungsimpulstechnischen Desinfektion bakterienverseuchter Flüssigkeiten folgendermaßen aufgebaut :
Er besteht aus einem an seinen beiden Stirnseiten anflanschbaren Rohrabschnitt mit lichtem, einfach polygonalem, mindestens jedoch rechteckigem Querschnitt oder lichtem, einfach konvexem, rundem Querschnitt. Einer bezüglich der Längsachse des Rohrabschnitts parallelen Elektrodenanordnung aus zwei sich senkrecht und bezüglich der Längsachse spiegelbildlich gegenüberstehenden, elektrisch voneinander isolierten Elektrodenbändern über höchstens die Länge des Rohrabschnitts und beim polygonalen Querschnitt über höchstens die Breite der Polygonseite. Die Mantelflächen bei polygonalem Querschnitt sind vorzugsweise eben.
Die eine Elektrode ist an ein elektrisches Bezugspotential, häufig Erdpotential, und die andere, die Hochspannungselektrode, an ein pulsförmiges, in der Zeitdauer und Höhe einstellbares elektrisches Hochspannungspotential anschließbar. Die Hochspannungselektrode ist auf der nach innen exponierten, bzw. zur Gegenelektrode hin exponierten Fläche mit einer porösen Keramikschicht bedeckt.
Der Reaktor kann aber auch aus einer bezüglich der Längsachse des Rohrabschnitts koaxialen/konzentrischen Elektrodenanordnung aus der zumindest elektrisch leitenden Innenwand, dem Außenleiter, und dem koaxialen Innenleiter bestehen. Dann ist einer von beiden, vorzugsweise der Außenleiter, an ein elektrisches Bezugspotential und der Innenleiter an ein in der Zeitdauer und Höhe einstellbares elektrisches Hochspannungspotential anschließbar. Aber auch bei dieser Bauform ist die Hochspannungselektrode auf der zur gegenüberliegenden Elektrode exponierten Fläche mit einer porösen Keramikschicht, wie oben beschrieben, bedeckt. In allen Bauformen liegt die Schichtdicke der porösen Keramikschicht im Bereich von 100 bis 300 μm. Dabei haben die beiden Elektroden einen Abstand derart zueinander haben, dass an der exponierten Oberfläche der Keramikschicht während des Anstehens des elektrischen Hochspannungspotentials an der Hochspannungselektrode eine elektrische Feldstärke von mindestens 1 MV/cm ohne Funkenüberschlag besteht. Hiermit ist eine rezeptive Anleitung zum elektrotechnischen und baulichen Dimensionieren von Fall zu Fall gegeben, um geplante Durchsatzmengen, wie vorgesehen, prozessieren zu können. Ein Ausführungsbeispiel wird unten beschrieben. Wesentlich ist, dass während der Pulsdauer kein Durchschlag, d. h. ein Kurz- schluss, stattfindet. Jedoch sich viele Streamer während des Hochspannungspulses zwischen und entlang des mit zu prozessierender Flüssigkeit aufgefüllten Elektrodenzwischenraums ausbilden.
Elektrisch sind der Hochspannungsimpulsgenerator und der Reaktor einerseits einfach miteinander verbunden. Für eine elektrisch sich dauernd ändernde Last könnten dann unter Umständen elektrische Maßnahmen zum Schutz des Generators vor problematischen Reflexionen notwendig sein. Bei nur mehr sich gering ändernder Last kann ein solcher Reflexionsschutz durch Impedanzanpassung zwischen Generator und Reaktor einfach gelöst werden.
Nützliche Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen 2 bis 6 beschrieben:
Zur Flüssigkeitsein- und Ausleitung ist an den beiden Endbereichen des Reaktorraumes mindestens je ein Anschlussstutzen angebracht. Für Diagnostik und Analysezwecke sitzt mindestens ein weiterer Anschlussstutzen in der Rohrwand im Reaktorraumbereich (Anspruch 2) .
Durch eine Hochspannungsdurchführung in der Rohrwand ist der Innenleiter mit einem Hochspannungsimpulsgenerator verbunden. Die Rohrwand, zumindest die elektrisch leitenden Rohrinnenwand ist an ein Bezugspotential, meist Erdpotential, angeschlossen, so dass bei Erdpotential umgebende Sicherheitsabschirmungen entfallen können.
Für den Betrieb ist es vorteilhaft, wenn die Keramikschicht zuverlässig an dem inneren Leiter haftet, da bei der Streamerentladung durchweg auch Schockwellen entstehen. Das wird nach Anspruch 4 noch dadurch unterstützt, als die Keramik und das Innenleitermaterial nicht zu verschiedene thermische Ausdehnungskoeffizienten von der Umgebungstemperatur bis zur Betriebstemperatur haben, vorzugsweise sind sie ähnlich bis gleich.
Gegenüber der Prozessflüssigkeit und den durch die Bepulsung entstandenen Reaktionsprodukten muss zumindest die innere Oberfläche des Reaktorraums inert sein, bzw. ist der Reaktor aus solchen Materialien aufgebaut sein (Anspruch 5) .
Im Falle koaxialen Elektrodenaufbaus gibt es eine geometrisch umfassendere Bauweise der nur bezüglich der beiden Elektrodenachsen bestehenden Koaxialität und eine engere Bauweise der Elektrodenko- axialität mit Positionsgleichheit der beiden ähnlichen Querschnitte der Innenelektrode und der lichten Weite der Außenelektrode. Beide Bauweisen des koaxialen, konzentrischen Reaktors sind in Anspruch 6 kennzeichnend beschrieben, und zwar dass im Falle koaxialer, konzentrischer Elektrodenanordnung der lichte Querschnitt der Außenelektrode beliebig zum Querschnitt der Innenelektrode steht, vorzugsweise jedoch der Innenelektrodenquerschnitt durch bezüglich der Längsachse radiale Stauchung aus dem lichten Querschnitt der Außenelektrode hervorgeht und umgekehrt . Das Verfahren zur hochspannungsimpulstechnischen Desinfektion bakterienverseuchter Flüssigkeiten besteht gemäß Anspruch 7 aus den folgenden Schritten:
Die bakterienverseuchte, zu prozessierende Flüssigkeit wird entweder durch einen rohrförmigen Hohlraum geströmt oder in einen solchen ladungsweise eingeleitet, der gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6 aufgebaut ist. Die sich im Hohlraum gegenüberstehenden Elektroden bilden den lichten Bereich, in dem durch Hochspannungsbepulsung einer der beiden Elektroden das für die Prozessierung notwendige gepulste e- lektrische Feld ausbildet. Die hochspannungsbepulste Elektrode ist diejenige Elektrode, die der porösen Keramikschicht überzogen ist. Die verunreinigte, elektrisch zu prozessierende Flüssigkeit wird im Durchfluss- oder schubweisen Betrieb während eines Hochspannungsim- pulses einer dadurch bewirkten Vielzahl von der exponierten Keramikschicht ausgehenden elektrischen Koronaentladungen entlang des potentialmäßig hochliegenden Leiters ausgesetzt. An der potentialmäßig hochliegenden Elektrode wird an der exponierten Keramikoberfläche eine gepulste elektrische Feldstärke von mindestens 1 MV/cm erzeugt, ohne dass ein Funkenüberschlag zur auf Bezugspotential liegenden Gegenelektrode provoziert wird.
In dem abhängigen Verfahrensanspruch 8 werden bewährte Parameterbereiche für einen vorteilhaften und langzeitlichen Betrieb beschrieben. Unter Berücksichtigung des Hochspannungsimpulsgenerators und der Leitungen zum Reaktor liegen die Anstiegszeiten des Hochspannungsimpulses unter 100 ns und die Impulsdauern deutlich über 100 ns , dabei können auch Impulsraten von einigen 10 Hz gefahren werden.
Der Reaktor ist eine koaxiale, längenbegrenzte Elektrodenanordnung. Eine qualitative Vorgabe des Elektrodenabstandes ist die Vermeidung eines einzelnen Funkenüberschlags und damit eines Kurzschusses während der Dauer des Hochspannungsimpulses. Entscheidend ist die vielfache radiale Streamerausbildung oder Büschelentladung im Elektrodenzwischenraum. Der Elektrodenabstand ist durch den erforderlichen Vo- lumendurchsatz und die daran anzupassende Impulsamplitude gegeben.
Bei beispielsweise 100 kV Impulsamplitude und 200 - 300 ns Pulsdauer beträgt der Elektrodenabstand 3 - 5 cm. Da der spezifische Widerstand der Wasserschicht klein gegen den spezifischen Widerstand in der Keramikschicht ist - er ist nur durch die Leitfähigkeit der Flüssigkeit in den Poren der Keramik bestimmt -, fällt ein Großteil die gesamte Pulsspannung über der Keramikschicht ab. Für das Auftreten der Strea- mer ist eine Feldstärke von mindestens lMV/cm an der Oberfläche der Keramik erforderlich. Beispielsweise wird das durch einen 50 - 100 kV-Puls bei oben beispielhaft aufgeführtem Elektrodenabstand erreicht .
Als Generator zur Erzeugung der Hochspannungsimpulse ist eine Blumlein-Anordnung geeignet. Alternativ kann eine Kondensatorbank oder ein Marxgenerator als Hochspannungsimpulsquelle eingesetzt werden. Die Impedanz des Generators ist an die Impedanz des Reaktors ange- passt, um Reflexionen in den Generator zu vermeiden. Die Impulsrate geht bis zu 10 Hz.
Zur Steigerung der Produktion von Oxidantien während der Bepulsung werden Mikrogasblasen durch den Reaktor geströmt. Sauerstoff und E- delgase sind beispielsweise dazu geeignet.
Die chemischen Reaktionen, die bei den Unterwasserkoronaentladungen entstehen, sind denen bei Elektronenstrahl-, Röntgen- oder Gamma- strahl- sowie Ultraschallbehandlung sehr ähnlich. Der Vorteil der Unterwasserkoronabehandlung besteht in der Kombination mit andern Effekten, wie UV-Strahlung, Stoßwellen, hohen elektrischen Feldern, die zu einer Effizienzsteigerung führt und in den geringeren Apparate-, und Betriebskosten. Weiter besteht der Vorteil des Desinfektionsverfahrens in den hohen spezifischen Dekontaminationsraten. Experimentelle Ergebnisse mit Bakterien vom Stamm Pseudomasputida ergeben, dass für eine Reduktion der bakteriellen Konzentration um 6 Größenordnungen eine spezifische elektrische Energie von 5,5 kWh/m3 erforderlich ist. Dieses Ergebnis ist auf die Kombinationswirkung von Oxidantien, UV-Strahlung, Stoßwellen und starken elektrischen Feldern zurückzuführen, die bei Streamerentladungen erzeugt werden.
Im Folgenden wird die hochspannungsimpulStechnische Unterwasserkoronaentladung zur Desinfektion bakterienverseuchter Flüssigkeiten in einem beispielhaften Reaktor beschrieben. Hierzu werden Figuren mit darin dargestellten technischen Schemata verwendet. Es zeigt:
Figur 1 die Blockdarstellung der Desinfektionsanlage zur Entkeimung; Figur 2 den Reaktor zur Entkeimung
Figur 3 stirnseitige Aufnahme einer brennenden Unterwasserkoronaentladung im Reaktor.
Die schematische Darstellung in Figur 1 zeigt beispielhaft eine Anlage zur hochspannungsimpulstechnischen Desinfektion einer bakterienverseuchten Flüssigkeit, hier Wasser, die von einer Abwasserleitung eingeleitet wird. Links im Bild ist in Blöcken dargestellt:
Die gesteuerte Stromversorgung, die Einrichtung zur Erzeugung elektrischer Hochspannungsimpulse, hier ein Blumleingenerator, mit Mess- sensorik, zentral der Reaktor in koaxialer Bauweise, und eine an den Reaktor angeschlossene Analyseeinrichtung zur Untersuchung des Zu- standes der zu prozessierenden, bakterienverseuchten Flüssigkeit durch die Einwirkung der Unterwasserkoronaentladungen. Die beiden Ausgänge des Blumleinimpulsgenerators sind mit dem Reaktor verbunden: Der Hochspannungsausgang ist über die Durchführung am Reaktorrohr mit dem koaxial sitzenden, keramikummantelten Innenleiter verbunden. Das Reaktorrohr ist aus Edelstahl. Über jeweils einen Flansch an den beiden Stirnseiten schließt ein Quarzfenster das innere des Reaktors hermetisch nach außen ab, so dass die Vorgänge darin visuell beobachtet werden können. Die beiden Flansche haben elektrisch leitenden Kontakt zur Rohrwand, deshalb ist das Bezugspotential des Blumlein- Impulsgenerators mit dem nächstliegenden Flansch elektrisch leitend verbunden. Die Stutzen für die Einleitung und Ausleitung des zu prozessierenden Abwassers sind nicht angedeutet, jedoch ist der Reakto- - S - rinnenraum für den Prozess damit gefüllt. Über die Peristaltikpumpe werden aus dem Reaktorraum Proben genommen, in die Quarzküvette zur spektrophotometrischen Untersuchung geströmt und in den Reaktorraum zurückgepumpt. Der koaxial sitzende Innenleiter ist aus Titan und mit der Keramik Almandine 200 μm dick über eine Haftvermittlerschicht beschichtet. Hinsichtlich der thermischen Ausdehnungskoeffizienten sind beiden Materialien ideal, d. h. hinsichtlich des Ausdehnungskoeffizienten aufeinander abgestimmt, nämlich gleich, bzw. nahezu gleich.
In Figur 2 ist beispielhaft der Reaktor konstruktiv detailliert dargestellt. Die wesentlichen, beispielhaften Reaktordimensionen sind folgend aufgeführt. Der Hochspannungsanschluss ist hier für < 50 kV ausgelegt. In den beiden stirnnahen Bereichen befinden sich die Stutzen über die das Abwasser eingeleitet und ausgeleitet wird, so dass das zu prozessierende Abwasser zwangsweise und in großer Menge strömbar durch den wirksamen Elektrodenzwischenraum gelangen muss .
Beispielhaft werden für diese Ausführungsbeispiel die folgenden Dimensionen aufgeführt: Länge der Innenelektrode 200 mm;
Durchmesser der Innenelektrode mit kreisförmigem Querschnitt 6 mm; lichter Durchmesser der äußeren Elektrode 30 mm; damit Elektrodenabstand 12 mm; Almandine-Keramikbeschichtung 200 - 300 μm.
Prozessiert wurde mit diesem Ausführungsbeispiel:
Wasser mit unterschiedlichen Bakterienkonzentrationen und damit einem Leitfähigkeitsbereich der zu prozessierenden Flüssigkeit im Bereich 0,5 - 1,5 mS/cm. Die Hochspannungsamplitude war im Bereich < 50 kV, die Pulsform rechteckig mit einer Halbwertsbreite von 200 - 400 ns . Im so betriebenen Laborreaktor wurde schon eine Reduktion der bakteriellen Konzentration (Pseudomonas putida)um 6 Logarithmenstufen, d. h. Faktor 1 000 000, bei einem Energieeinsatz von 20 J/cm3 erreicht. An den nicht mittigen Stutzen 26 und den mittigen Stutzen 27 ist die
Diagnostikeinrichtung angeflanscht, die hier nicht angedeutet ist. Das im Bild linksseitige, mit der Reaktorwand 2, dem Außenleiter 2, verbundene Flanschstück 14 hat den Distanzring 5 zur Innene- lektrodenfixierun eingelegt. Der Zulaufstutzen 4 für die zu prozessierende Flüssigkeit ist daran mantelwandseitig angeschweißt. Das im Bild rechtsseitige, ebenfalls mit der Reaktorwand 2, dem Außenleiter 2 verbundene Flanschstück 15 hat auf seiner Mantelwand den Auslauf- stutzen 4 und gegenüber den Durchführungsstutzen 6 für die Hochspannung angeschweißt. Die stirnseitigen Quarzglasfenster 12 sind über jeweils den Flanschring 13 und Dichtringe 16 hermetisch dicht an das Reaktorrohr 2 über Flanschschraubklammern 19 angepresst. Die Elektroden 1, 2 des Reaktorraums sind koaxial wie in einem Koaxialkabelstück angeordnet und richten bei Beaufschlagung der Innenelektrode 1 mit Hochspannungspotential zu der Außenelektrode 2 das radiale elektrische Prozessfeld ein. Der Außenleiter 2, die Reaktorwand 2, ist an ein elektrisches Bezugspotential, hier Erdpotential, angeschlossen. Der Innenleiter 2 sitzt zentriert und wird an der einen Stirn über die Stütze 11 getragen und an der andern, im Bild rechten Stirnseite über die als Steckvorrichtung ausgeführte hochspannungselektrische Durchführung mit ihren Komponenten:
Durchführungsstutzen 6, Verschraubungshülse 7, Anschlussbolzen 8, I- solationsrohr 9, Anschlussstift 10 an Innenelektrode 2, mit in koaxialer Position gehalten. Die Hochspannungsdurchführung schließt den Reaktorraum dort über die Dichtungen 20 und 21 gas- und flüssigkeitsdicht hermetisch von der Umgebung ab.
materialgetrennt mit angedeuteten Dichtungen im Detail in der Figur 2 dargestellt .
Figur 4 schließlich zeigt die fotographische Momentaufnahme der Koronaentladung und hebt damit die Wirkung in dem Reaktorraum mit ringförmigem lichtem Querschnitt hervor.

Claims

Patentansprüche :
1. Reaktor zur hochspannungsimpulstechnischen Desinfektion bakterienverseuchter Flüssigkeiten, bestehend aus: einem an seinen beiden Stirnseiten flanschbaren Rohrabschnitt mit lichtem, einfach polygonalem, mindestens jedoch rechteckigem Querschnitt oder lichtem, einfach konvexem, rundem Querschnitt, einer bezüglich der Längsachse des Rohrabschnitts parallelen E- lektrodenanordnung aus zwei sich senkrecht und bezüglich der Längsachse spiegelbildlich gegenüberstehenden, elektrisch voneinander isolierten Elektrodenbändern über höchstens die Länge des Rohrabschnitts und beim polygonalen Querschnitt über höchstens der Breite der Polygonseite, wovon die eine Elektrode an ein elektrisches Bezugspotential und die andere, die Hochspannungselektrode, an ein in der Zeitdauer und Höhe einstellbares elektrisches Hochspannungspotential anschließbar ist, oder einer bezüglich der Längsachse des Rohrabschnitts koaxialen/konzentrische Elektrodenanordnung aus der zumindest elektrisch leitenden Innenwand, dem Außenleiter, und dem Innenleiter, wovon einer von beiden, vorzugsweise der Außenleiter, an ein e- lektrisches Bezugspotential und der Innenleiter an ein in der Zeitdauer und Höhe einstellbares elektrisches Hochspannungspotential anschließbar ist, einer porösen Keramikschicht auf der mit Hochspannungspotential beaufschlagbaren Elektrode auf der zur Gegenelektrode hin exponierten Fläche mit einer Schichtdicke im Bereich von 100 bis 300 μm, wobei sich beide Elektroden einerseits mit einem derartigen Höchstabstand gegenüber stehen, dass sich einerseits bei Beaufschlagung mit Hochspannungspotential durch die Hochspannung zwischen den beiden Elektroden in jedem Fall kein Funkenüberschlag ausbildet und andrerseits mit einem Mindestabstand gegenüberste- hen, dass es andrerseits an der exponierten Oberfläche der Keramikschicht während des Anstehens des elektrischen Hochspannungs- potentials an der Hochspannungselektrode zur Ausbildung einer Ma- ximafeidstärke von mindestensl MV/cm ohne Funkenüberschlag kommt.
2. Reaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Reaktor mindestens je einem Anschlussstutzen in den beiden Endbereichen oder Stirnseiten des Rohrstücks zur Flüssigkeitsein- und - ausleitung und mindestens einem Zugang für Diagnostikeinrichtungen hat.
3. Reaktor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Reaktor eine Hochspannungsdurchführung durch die Wand des Rohstücks hat, durch die hindurch bei der koaxialen Elektrodenanordnung der Innenleiter an einen Hochspannungsimpulsgenerator anschließbar ist.
4. Reaktor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die auf den Innenleiter aufgebrachte Keramikschicht in dem Temperaturbereich von der Umgebung bis zur stationären Betriebstemperatur einen zumindest ähnlichen Wärmeausdehnungkoeffizienten wie der Innenleiter hat.
5. Reaktor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die im Reaktorraum exponierten Oberflächen aus gegenüber der zu prozessierenden Flüssigkeit und den Prozessprodukten inerten Materialien sind.
6. Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass im Falle koaxialer, konzentrischer Elektrodenanordnung der lichte Querschnitt der Außenelektrode beliebig zum Querschnitt der Innenelektrode steht, vorzugsweise jedoch der Innenelektrodenquerschnitt durch bezüglich der Längsachse radiale Stauchung aus dem lichten Querschnitt der Außenelektrode hervorgeht und umgekehrt .
7. Verfahren zur hochspannungsimpulstechnischen Desinfektion bakterienverseuchter Flüssigkeiten in einem rohrförmigen Reaktor, bestehend aus den Verfahrensschritten: eine bakterienverseuchte, zu prozessierende Flüssigkeit wird entweder durch einen rohrförmigen Hohlraum geströmt oder in einen solchen eingeleitet, in dem sich zwei Elektrodenbänder als Wandelemente längs der Hohlraumlängsachse elektrisch gegeneinander isoliert gegenüberstehen oder durch einen rohrförmigen Hohlraum mit konzentrisch ringförmig lichtem Querschnitt geströmt oder in einen solchen eingeleitet, in dem sich die Außenwand und der axiale Stab als koaxiale Leiteranordnung, elektrisch isoliert voneinander, radial gegenüberstehen, wobei der einer der beiden Bandelektroden oder der Innenleiter, die oder der an der exponierten Fläche mit einer porösen Keramikschicht überzogen ist, vorübergehend/pulsförmig mit einem e- lektrischen Hochspannungspotential einstellbaren Maximums und einstellbarer Zeitdauer beaufschlagt werden und die jeweilige Gegenelektrode an Bezugspotential gelegt wird, um zwischen den beiden Elektroden das für den Prozess notwendige pulsförmige elektrische Feld von maximal mindestens 1 MV/cm an der exponierten Keramikoberfläche zu erzeugen und dadurch entlang der mit Hochspannungs- potential beaufschlagten Elektrode von der exponierten Keramikoberfläche ausgehende Streamerentladungen zu erzeugen, wodurch die verunreinigte, zu prozessierende Flüssigkeit im Durch- fluss- oder schubweisen Betrieb von dem elektrischen Feld und den Streamern durchdrungen wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Hoch- spannungsimpulsgenerator und der angeschlossene Reaktor elektrisch so dimensioniert sind, dass Anstiegszeiten des Hochspannungsimpulses < 100 ns und die Impulsdauer > 100 ns erzeugt werden und eine Impulsrate bis zu einigenlO Hz erzeugt werden kann.
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