WO2015162264A1 - Vorrichtung zur photochemischen behandlung von verunreinigtem wasser - Google Patents

Vorrichtung zur photochemischen behandlung von verunreinigtem wasser Download PDF

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WO2015162264A1
WO2015162264A1 PCT/EP2015/058959 EP2015058959W WO2015162264A1 WO 2015162264 A1 WO2015162264 A1 WO 2015162264A1 EP 2015058959 W EP2015058959 W EP 2015058959W WO 2015162264 A1 WO2015162264 A1 WO 2015162264A1
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light
flow channel
contaminated water
generating body
water
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PCT/EP2015/058959
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Siegfried Egner
Bentsian Elkin
Jorge Toro SANTAMARIA
Original Assignee
Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
Universität Stuttgart
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    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F1/00—Treatment of water, waste water, or sewage
    • C02F1/30—Treatment of water, waste water, or sewage by irradiation
    • C02F1/32—Treatment of water, waste water, or sewage by irradiation with ultraviolet light
    • C02F1/325—Irradiation devices or lamp constructions
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F2201/00—Apparatus for treatment of water, waste water or sewage
    • C02F2201/32—Details relating to UV-irradiation devices
    • C02F2201/322—Lamp arrangement
    • C02F2201/3228—Units having reflectors, e.g. coatings, baffles, plates, mirrors
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F2201/00—Apparatus for treatment of water, waste water or sewage
    • C02F2201/32—Details relating to UV-irradiation devices
    • C02F2201/328—Having flow diverters (baffles)
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    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F2303/00—Specific treatment goals
    • C02F2303/04—Disinfection

Definitions

  • the present invention relates to a device for the photochemical treatment of contaminated water according to the preamble of claim 1.
  • UV light (wavelength about 100 to 400 nm) by excitation of gases or gas mixtures with high-frequency electromagnetic waves, in particular with microwaves, is known.
  • the device generates a surface radiation of UV light.
  • EP 0 458 140 A1 discloses an excimer radiator which emits electromagnetic radiation in the UV wavelength range.
  • a lamp known from DE 10 2009 025 667 A1 operates in a similar way to a fluorescent tube filled with gas.
  • suitable excitation eg by high-energy electrons
  • one or more electrons of the molecules in the gas are lifted to a more energetic electron orbit.
  • energy is released, which is emitted in the form of light, in particular UV light.
  • a line unit made of quartz glass is known, which is provided in regions with a reflector layer of aluminum. Furthermore, light-guiding elements are provided which improve the coupling of UV light into the interior of the line unit.
  • EP 0 458 140 discloses the use of noble gases, for example xenon, in discharge lamps instead of mercury.
  • Xenon emits UV light with a wavelength of about 172 nm, which is even more energetic than the light emitted by mercury. Thus, the wavelength of this UV light is in the VUV range.
  • the xenon UV light is already used, for example, for roughening surfaces in industrial production technology. It is also known that the high-energy xenon UV light can be used to purify wastewater. The xenon UV light cuts off a hydroxyl radical ⁇ OH from H 2 O. This species is highly reactive and can therefore be used for the oxidative degradation of pollutants in the water or to kill bacteria in the polluted wastewater. This effect is known.
  • a disadvantage of the xenon UV light is its low penetration depth in the water; it is only about 5 to 150 microns.
  • the invention has for its object to provide a device for photochemical cleaning / treatment of contaminated water, which is simple and uses the high-energy xenon UV light for disinfection.
  • the at least one flow channel has a thickness of less than 1 centimeter and / or having turbulence elements for the contaminated water.
  • a substantially laminar flow or a stationary velocity distribution occurs. Due to the laminar flow in the flow channel and the low penetration depth of the xenon UV light into the water to ensure effective cleaning / treatment of contaminated water that as it flows through the water through the flow channel as much of the water flowing in the flow channel of a UV Light-emitting surface of the UV light-generating body flows past.
  • the flowing water must therefore form a thin film or be swirled or rearranged. Serve the swirling elements.
  • the turbulence elements may include grids, nets, wires and / or tissue.
  • a laminar flow or a stationary velocity distribution occurs after a certain flow distance of the water flowing through, depending on the thickness of the flow channel. In a flow channel with a thickness of, for example, 1 mm, this happens after about 2 cm. This means that at the latest from this distance again a new swirling element should be arranged in the flow channel in order to guarantee the effectiveness of the device when disinfecting the contaminated water.
  • This effect can alternatively or additionally be generated or reinforced by the fact that the flow channel is formed on an inner side, e.g. a herringbone geometry, elevations and / or depressions, heels and / or transverse grooves.
  • a herringbone geometry e.g. a herringbone geometry, elevations and / or depressions, heels and / or transverse grooves.
  • these geometries can also be applied to the light exit surface. All these measures can be realized with little effort.
  • the mixing elements act as a flow guide or static mixer.
  • a chaotic mixture can be achieved.
  • Swirl elements having a fabric structure are preferably arranged diagonally to the flow direction in order to achieve the chaotic mixture.
  • the contaminated water flows transversely or laterally over the UV light-generating body, so that the respective reaction path is interrupted by as many mixing zones on one edge of the UV light-generating body. Turbulent flows also result in good mixing, but require more energy to convey the water.
  • An advantage of the device according to the invention is the fact that no additives, such as oxygen and / or ozone are needed to clean the water, which reduces the cost of disinfection and increases process reliability.
  • xenon is preferably excited for UV generation, the UV light then being generated at a wavelength of approximately 172 nm.
  • other noble gases such as e.g. Helium, argon, krypton or neon applicable.
  • halogens such as fluorine, chlorine, bromine or iodine. It is important that light with a wavelength below 185 nm is generated, because this light is very energetic.
  • the flow channel comprises a rectangular cross-section.
  • a UV light exit surface of a luminaire having a flat light exit surface can form part of the wall of the flow duct in a simple manner.
  • the UV light-emitting surfaces of several UV light-generating lights can form the flow channel by several UV light-generating body are arranged either sequentially in succession or more UV light-generating body are arranged parallel and opposite each other and limit at least a portion of the flow channel.
  • a preferred thickness is about 1 mm.
  • the width of the flow channel is arbitrary and can be adapted to the size of the UV light exit surface of the UV light-generating body.
  • the thickness of the flow channel is in principle arbitrary, but is preferably therefore limited so that the largest possible part of the contaminated water from UV light can be achieved.
  • a narrower thickness than 1 mm results in very high pressures inside the flow channel at a desired throughput because of the frictional forces on the inner walls of the flow channel, which also increases the energy requirements for circulating the contaminated water.
  • the thickness of about 1 mm is a good compromise.
  • the flow channel may in principle comprise any cross-section, e.g. ring-shaped, unfolded (corrugated cardboard geometry), wherein the UV-light-generating body is then adapted according to the cross-section, in order to achieve a direct contact of the contaminated water with the UV-light exit surface of the UV-light generating body.
  • a supply of contaminated water is arranged centrally in the flow channel, wherein the contaminated water then flows in two opposite directions. This doubles the throughput of contaminated water in the device according to the invention.
  • the contaminated water flows in a plurality of flow channels arranged parallel to one another, wherein each flow channel is assigned a UV light exit surface of at least one UV light-generating body.
  • each flow channel is assigned a UV light exit surface of at least one UV light-generating body.
  • the body generating at least one UV light is designed in such a way that the water flowing past replaces at least one electrode for generating the UV radiation by electrically contacting the passing water.
  • a corresponding counter electrode is coated with a reflective and current-conducting material.
  • an inside of the UV light-generating lamp may be partially coated with a material reflecting the UV light. This ensures that UV light that reaches these areas is not absorbed, but is reflected and can be used to clean the water. As a result, the efficiency of the device according to the invention is improved in a simple manner.
  • the UV-light-generating body is flat, cubic, round, oval ring-shaped or ring-segment-shaped.
  • the UV-light-generating body is preferably designed such that its UV light-emitting surface delimits the flow channel and forms at least one region of a wall of the flow channel. The contaminated water can thus flow past directly on the UV light exit surface.
  • the UV-light-generating body has reinforcing supports in the interior. This serves to increase the stability of the UV-light-generating body, wherein it must be taken into account that high pressures of the water to be purified can form in the adjacent flow channel and negative pressure prevails in the interior of the luminaire.
  • FIG. 1 shows a device according to the invention for the treatment of contaminated water in a side view in a first embodiment
  • Figure 2 shows the device of Figure 1 in a rotated by 90 ° side view
  • Figure 3 shows the device according to the invention in a side view in a second embodiment
  • FIG. 4 shows the device according to the invention in a side view in a third embodiment
  • Figure 5 shows the device according to the invention in a side view in a fourth embodiment
  • Figure 6 shows the device according to the invention in a side view in a fifth embodiment
  • Figure 7 shows the device according to the invention in a side view in a sixth embodiment.
  • FIG. 1 shows a device 10 according to the invention for disinfecting contaminated water in a side view in a first embodiment.
  • Figure 2 shows the same device 10 in a rotated by 90 ° side view.
  • the device 10 of Figure 1 comprises two UV light generating bodies or lights 12, which form with their UV light exit surface 14 a portion of a flow channel 16 for contaminated water.
  • more than two UV light-generating body 12 can form 14 areas of the flow channel 16 with their light exit surfaces.
  • a light exit direction of the UV light from the light exit surface 14 is represented by arrows 18.
  • a flow direction of the contaminated water is indicated by an arrow 20.
  • the UV-light-generating body 12 can be flat, cubic, round, oval-ring-shaped or ring-segment-shaped, preferably the UV-light-generating body 12 is formed as a flat cuboid. It is important that its UV light-emitting surface 14 delimits the flow channel 16 and directly forms at least one region of a wall of the flow channel 16. The contaminated water can thus flow past directly on the UV light exit surface 14.
  • the UV light-generating body 12 may have reinforcing posts in the interior (not shown). This serves to increase the stability of the UV light-generating body 12.
  • the UV light-generating body 12 comprises xenon as filling gas and works according to the known principle of gas discharge, wherein an excitation of the xenon gas with high-frequency electromagnetic waves generates a UV light having a wavelength of approximately 172 nm.
  • a penetration depth of the UV light generated by xenon gas in water is about 5 to 150 ⁇ m. This means that the water flowing through the flow channel 16 and contaminated at the light exit surfaces 14 has to be largely relocated or swirled, so that the entire volume of water at least once as it flows through the device 10 in the vicinity of the light exit surfaces 14, ie in the penetration of UV light, is coming.
  • the thickness D of the channel 16 the distance of the opposite light exit surfaces 14 is considered in this embodiment.
  • the flow channel 16 is rectangular. However, it could also have an arbitrarily different cross-section, with sections of the shape of the lamp 12 must be adapted to the cross-section in order to avoid loss of energy due to useless pumping of contaminated water. It is important that in each case the light exit surface 14 forms an area of the flow channel 16.
  • a preferred thickness D of the flow channel 16 is 1 mm, the width is substantially arbitrary.
  • the upper limit for the thickness D of the flow channel 16 has been found to be 10 cm. Better cleaning results are achieved with thicknesses of less than 5 cm and preferably less than 1 cm.
  • the contaminated water When entering the device 10, the contaminated water usually has a turbulent flow, which then becomes laminar in the thin channel 16; which is not wanted.
  • obliquely arranged guide elements 22 are arranged in the flow channel 16 in the first embodiment, which rearrange the laminar flow. This makes it possible that as far as possible a large part of the water volume flows past the light exit surface 14 of one of the two UV light-generating bodies 12. During this time, the xenon light forms short-lived hydroxil radicals in the water, which have a purifying effect.
  • the at least one UV-light-generating body 12 is designed such that the water flowing past replaces at least one electrode for generating the UV radiation 18, in that the passing water is electrically contactable.
  • a corresponding counter electrode may be coated with a reflective and electrically conductive material.
  • an inside of the UV light-generating body 12 may be partially coated with a reflective and current-conducting material.
  • FIG. 3 shows a second embodiment of the device 10.
  • a mesh 24 is arranged parallel to the light exit surfaces 14 as a turbulence element in the flow channel 16.
  • the grid 24 may be a wireframe made of thin stainless steel wires.
  • the second embodiment is otherwise formed as the first embodiment and acts in the same way.
  • FIG. 4 shows a third embodiment of the device 10.
  • the third embodiment comprises only one single UV-light-generating body 12.
  • Wedge-shaped elevations 26 are arranged in the flow channel 16 on one opposite side as swirling elements.
  • the wedge-shaped elevations 26 can also be formed in the light exit surface 14.
  • the third embodiment is otherwise the same as the first embodiment and operates in a similar manner.
  • the swirling elements in the area of the UV light-generating body 12 could also be formed as a net, spiral or tissue.
  • the flow channel 16 may have on its inside a herringbone geometry, elevation and depressions of any kind, heels and / or transverse grooves.
  • FIG. 5 shows a fourth embodiment of the device 10, in which two regions of the flow channel 16 arranged sequentially one after the other are provided with bodies 12 producing UV light. It could also form more than two such areas parts of the flow channel 16. In the area of the UV light-generating body 12, any turbulence elements could also be arranged.
  • UV light generating bodies 12 If more than one area of UV light generating bodies 12 are provided, it is possible that a supply of contaminated water is centered, slightly eccentric, or at least not marginally disposed in the flow channel 16, with the contaminated water subsequently flowing in two opposite directions (not shown).
  • the flow channel 16 has a shoulder 28, which acts as a swirling element, since it swirls the laminar flow or even produces a turbulent velocity distribution.
  • the mixing zone formed by the shoulder 28 is indicated by hatching 32.
  • the shoulder 28 does not change the cross-section of the flow channel 16.
  • the fourth embodiment is otherwise formed like the first embodiment and operates in a similar manner.
  • FIG. 6 shows a fifth embodiment of the device 10.
  • the fifth embodiment is formed similarly to the fourth embodiment. However, here the cross section of the flow channel 16 changes in its course. Between the two areas with the UV light-generating bodies 12, the flow channel 16 has a collecting basin 30 for the water flowing through the device 10. This leads to intensive mixing of the contaminated water and significantly increases the likelihood that contaminated water more often reaches in the immediate vicinity of the UV light-generating body 12.
  • the mixing zone formed by the collecting basin 30 is indicated by a hatching 32.
  • the fifth embodiment enhances the effect of the fourth embodiment.
  • FIG. 7 shows a sixth embodiment of the device 10.
  • the device 10 has flow channels 16 running parallel to one another.
  • the device 10 has a UV-light-generating body 12 'which radiates UV light 18 in two opposite directions. That is, the ultraviolet light generating body 12 has UV light emitting surfaces 14 on two sides that form a portion of the flow channel 16.
  • the two illustrated flow channels 16 may be connected to each other outside the device 10 so that, for example, a meandering course of the flow channel 16 can be formed. In this case, the two regions with the UV light-generating bodies 12 would be arranged sequentially in the flow channel 16.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung (10) zur photochemischen Behandlung oder Reinigung von verunreinigtem Wasser, wobei die Vorrichtung (10) mindestens einen Strömungskanal (16) zum Durchleiten des verunreinigten Wassers aufweist, der zumindest bereichsweise von einer UV-Lichtaustrittsfläche (14) mindestens eines UV-Licht erzeugenden Körpers (12) begrenzt ist. Der mindestens eine Strömungskanal (16) kann Verwirbelungselennente (22; 24; 26; 28; 30) für das verunreinigte Wasser aufweisen.

Description

Vorrichtung zur photochemischen Behandlung von verunreinigtem Wasser
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur photochemischen Behandlung von verunreinigtem Wasser nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Stand der Technik
Aus der DE 10 2006 022 970 B3 bspw. ist die Erzeugung von UV-Licht (Wellenlänge ca. 100 bis 400 nm) durch eine Anregung von Gasen oder Gasgemischen mit hochfrequenten elektromagnetischen Wellen, insbesondere mit Mikrowellen, bekannt. Die Vorrichtung erzeugt eine flächige Abstrahlung von UV-Licht.
Aus der EP 0 458 140 A1 ist ein Excimer-Strahler bekannt, der elektromagnetische Strahlung im UV-Wellenlängenbereich emittiert.
Eine aus der DE 10 2009 025 667 A1 bekannte Lampe arbeitet ähnlich wie eine mit Gas gefüllte Leuchtstoffröhre. Durch eine geeignete Anregung (z. B. durch energiereiche Elektronen) der Moleküle dieses Gases werden eine oder mehrere Elektronen der in dem Gas befindlichen Moleküle auf eine energiereichere Elektronenbahn gehoben. Sobald diese Elektronen wieder auf die ursprüngliche Elektronenbahn zurückkehren, wird Energie frei, die in Form von Licht, insbesondere UV-Licht emittiert wird.
Diese Entladungslampen sind hinlänglich bekannt und haben sich in der Praxis bewährt. Ein besonderer Vorteil solcher Ionisationsstrahler mit einem Gas, das bspw. Quecksilber oder Verbindungen davon enthält, ist darin zu sehen, dass ein Großteil des emittierten Lichts bspw. im Fall von Quecksilber eine Wellenlänge von etwa 254 nm hat und dieses Licht effektiv mit einem guten Wirkungsgrad erzeugt werden kann.
Aus der DE 10 2007 040 466 A1 ist eine Leitungseinheit aus Quarzglas bekannt, die bereichsweise mit einer Reflektorschicht aus Aluminium versehen ist. Des Weiteren sind Lichtleitelemente vorgesehen, welche die Einkopplung von UV-Licht in das Innere der Leitungseinheit verbessern.
Aus der DE 695 09 393 T2 ist eine Vorrichtung zur Behandlung von Flüssigkeiten bekannt, bei der mehrere Filterelemente in Reihe geschaltet sind. Durch Rückspülen der Filterelemente und Bestrahlen der Flüssigkeit, wird sichergestellt, dass alle Mikroorganismen in der Flüssigkeit abgetötet werden.
Aus der DE 10 2013 204 297 ist eine zylindrische Küvettiervorrichtung zur Behandlung von Blut oder anderen Flüssigkeiten bekannt in deren Innerem Turbulenzerzeugungseinrichtungen vorhanden sind. Die Lichtquellen sind außerhalb der Küvette angeordnet.
Aus der DE 101 18 165 A1 ist eine Vorrichtung zum Zersetzen von Schadstoffen mit Hilfe eines Photokatalysators bekannt.
Außerdem ist aus der EP 0 458 140 bekannt, Edelgase, z.B. Xenon, anstatt des Quecksilbers in Entladungslampen zu verwenden. Xenon emittiert UV-Licht mit einer Wellenlänge von etwa 172 nm, das noch energiereicher ist als das von Quecksilber emittierte Licht. Damit liegt die Wellenlänge dieses UV-Lichts im VUV-Bereich. Das Xenon-UV-Licht wird zum Beispiel zum Aufrauen von Oberflächen in der industriellen Fertigungstechnik bereits eingesetzt. Es ist auch bekannt, dass das energiereiche Xenon-UV-Licht zur Reinigung von Abwasser eingesetzt werden kann. Das Xenon-UV-Licht spaltet aus H2O ein Hydroxyl-Radikal ·OH ab. Diese Spezies ist hoch reaktiv und kann daher für den oxidativen Abbau von Schadstoffen im Wasser oder auch zum Abtöten von Bakterien in den verunreinigten Abwässern genutzt werden. Dieser Effekt ist bekannt.
Ein Nachteil des Xenon-UV-Lichts ist dessen geringe Eindringtiefe im Wasser; sie beträgt nur etwa 5 bis 150 µm.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur photochemischen Reinigung/Behandlung von verunreinigtem Wasser zu schaffen, die einfach aufgebaut ist und das energiereiche Xenon-UV-Licht zur Desinfektion nutzt.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der mindestens eine Strömungskanal eine Dicke von weniger als 1 Zentimeter hat und/oder Verwirbelungselemente für das verunreinigte Wasser aufweist.
In einem dünnen Strömungskanal stellt sich beim Durchfließen des Wassers nach einer kurzen Fließstrecke eine im Wesentlichen laminare Strömung, beziehungsweise eine stationäre Geschwindigkeitsverteilung ein. Bedingt durch die laminare Strömung im Strömungskanal und die geringe Eindringtiefe des Xenon-UV-Lichts in das Wasser ist zu einer effektiven Reinigung/Behandlung des verunreinigten Wassers sicherzustellen, dass beim Durchströmen des Wassers durch den Strömungskanal möglichst viel des im Strömungskanal fließenden Wassers an einer UV-Lichtaustrittsfläche der UV-Licht erzeugenden Körper vorbeiströmt. Das durchfließende Wasser muss also einen dünnen Film ausbilden oder verwirbelt bzw. umgeschichtet werden. Dazu dienen die Verwirbelungselemente. Wenn das verunreinigte Wasser die Verwirbelungselemente passiert, führt das zu einer Strömung, bei der das Wasser umgeschichtet wird, so dass viele Volumenelemente des Wassers auf einer relativ kurzen Fließstrecke eine ausreichend lange Zeit in den Einflussbereich des Xenon-Lichts bzw. der kurzlebigen Hydroxil-Radikale, die durch das Xenon-Licht in dem Wasser gebildet werden, gelangen und somit die im Wasser enthaltenen Verunreinigungen abgebaut werden.
Dabei können die Verwirbelungselemente Gitter, Netze, Drähte und/oder Gewebe umfassen. Eine laminare Strömung bzw. eine stationäre Geschwindigkeitsverteilung stellt sich nach einer bestimmten Fließstrecke des durchströmenden Wassers ein, je nach der Dicke des Strömungskanals. Bei einem Strömungskanal mit einer Dicke von bspw. 1 mm geschieht dies nach etwa 2 cm. Das bedeutet, dass spätestens ab diesem Abstand wieder ein neues Verwirbelungselement im Strömungskanal angeordnet sein sollte, um die Effektivität der Vorrichtung beim Desinfizieren des verunreinigten Wassers zu garantieren.
Dieser Effekt kann alternativ oder auch zusätzlich dadurch erzeugt bzw. verstärkt werden, wenn der Strömungskanal an einer Innenseite z.B. eine Fischgrätengeometrie, Erhebungen und/oder Vertiefungen, Absätze und/oder Querrillen aufweist. Diese Geometrien können natürlich auch auf der Lichtaustrittsfläche aufgebracht werden. All diese Maßnahmen sind mit wenig Aufwand zu realisieren.
Die Mischelemente wirken als Strömungsführung oder statische Mischer. Eine chaotische Mischung kann erreicht werden. Verwirbelungselemente, die eine Gewebestruktur aufweisen, sind vorzugsweise diagonal zur Strömungsrichtung angeordnet, um die chaotische Mischung zu erreichen.
Möglich ist dabei auch, bevor sich wieder eine laminare Strömung bzw. eine stationäre Geschwindigkeitsverteilung im Strömungskanal einstellt, das Wasser in einem Sammelbecken oder einer Leitung zusammenzuführen an den sich dann ein weitere Strömungskanalabschnitt mit UV-Licht erzeugenden Leuchten anschließt.
Dies führt zu einer intensiven Durchmischung des verunreinigten Wassers und erhöht die Wahrscheinlichkeit wesentlich, dass das verunreinigte Wasser in unmittelbare Nähe einer UV-Lichtaustrittsfläche eines UV-Licht erzeugenden Körpers gelangt. Dies bedeutet, dass das verunreinigte Wasser in den Strömungskanälen sequentiell an mehreren in der Vorrichtung angeordneten UV-Lichtaustrittsflächen von UV-Licht erzeugenden Körpern vorbeiströmt.
Möglich ist dabei auch, dass das verunreinigte Wasser quer bzw. lateral über den UV-Licht erzeugenden Körper strömt, so dass die jeweilige Reaktionsstrecke von möglichst vielen Vermischungszonen an einer Kante des UV-Licht erzeugenden Körpers unterbrochen wird. Turbulente Strömungen führen ebenfalls zu einer guten Durchmischung, erfordern jedoch mehr Energie zum Fördern des Wassers.
Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist darin zu sehen, dass zur Reinigung des Wassers keine Zusätze, wie Sauerstoff und/oder Ozon benötigt werden, was die Kosten für die Desinfektion verringert und die Prozesssicherheit erhöht.
In der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird vorzugsweise Xenon zur UV-Erzeugung angeregt, wobei das UV-Licht dann mit einer Wellenlänge von ca. 172 nm erzeugt wird. Prinzipiell sind auch andere Edelgase, wie z.B. Helium, Argon, Krypton oder Neon anwendbar. Möglich sind dabei auch Verbindungen mehrerer Edelgase und/oder Verbindungen mit entsprechenden Halogenen, wie Fluor, Chlor, Brom oder Jod. Wichtig ist, dass Licht mit einer Wellenlänge unter 185 nm erzeugt wird, weil dieses Licht sehr energiereich ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Strömungskanal einen rechteckigen Querschnitt umfasst. Bei einer solchen Ausgestaltung kann in einfacher Weise eine UV-Lichtaustrittsfläche einer Leuchte mit einer ebenen Lichtaustrittsfläche einen Teil der Wand des Strömungskanals bilden. Natürlich können auch die UV-Lichtaustrittsflächen mehrerer UV-Licht erzeugender Leuchten den Strömungskanal bilden, indem mehrere UV-Licht erzeugender Körper entweder sequentiell hintereinander angeordnet sind oder mehrere UV-Licht erzeugender Körper parallel und einander gegenüberliegend angeordnet sind und zumindest einen Teil des Strömungskanals begrenzen. Dadurch wird erreicht, dass das verunreinigte Wasser häufiger in unmittelbare Nähe der Lichtaustrittsfläche des UV-Licht erzeugenden Körpers gelangt.
Bei einem rechteckig ausgebildeten Strömungskanal liegt eine bevorzugte Dicke bei etwa 1 mm. Die Breite des Strömungskanals ist beliebig und kann sich der Größe der UV-Lichtaustrittsfläche des UV-Licht erzeugenden Körpers anpassen. Die Dicke des Strömungskanals ist prinzipiell beliebig, ist aber vorzugsweise deshalb derart begrenzt, damit möglichst große Teile des verunreinigten Wassers vom UV-Licht erreicht werden können. Eine schmalerer Dicke als 1 mm hat bei einem gewünschten Durchsatz wegen der Reibungskräfte an den Innenwänden des Strömungskanals sehr hohe Drücke im Inneren des Strömungskanals zur Folge, was auch den Energiebedarf zum Umwälzen des verunreinigten Wassers erhöht. Die Dicke von etwa 1 mm stellt einen guten Kompromiss dar.
Natürlich kann der Strömungskanal prinzipiell jeden beliebigen Querschnitt umfassen, z.B. ringförmig, aufgefaltet (Wellpappengeometrie), wobei der UV-Licht erzeugende Körper dann entsprechend an den Querschnitt angepasst ist, um einen direkten Kontakt des verunreinigten Wassers mit der UV-Lichtaustrittsfläche des UV-Licht erzeugenden Körpers zu erreichen.
Außerdem kann vorgesehen sein, dass eine Zuführung des verunreinigten Wassers mittig in dem Strömungskanal angeordnet ist, wobei das verunreinigte Wasser anschließend in zwei entgegengesetzte Richtungen strömt. Dies verdoppelt den Durchsatz von verunreinigtem Wasser in der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Ferner kann vorgesehen sein, dass das verunreinigte Wasser in mehreren, parallel zueinander angeordneten Strömungskanälen strömt, wobei jedem Strömungskanal eine UV-Lichtaustrittsfläche mindestens eines UV-Licht erzeugenden Körpers zugeordnet ist. Eine solche Vorrichtung erhöht den Durchsatz von verunreinigtem Wasser beträchtlich.
In einer Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist vorgesehen, dass der mindestens eine UV-Licht erzeugende Körper derart ausgebildet ist, dass das vorbeiströmende Wasser mindestens eine Elektrode zur Erzeugung der UV-Strahlung ersetzt, indem das vorbeiströmende Wasser elektrisch kontaktiert wird.
Ergänzend hierzu ist vorgesehen, dass bei der Verwendung von Wasser als Elektrode eine entsprechende Gegenelektrode mit einem reflektierenden und stromleitenden Material beschichtet ist.
Außerdem kann eine Innenseite der UV-Licht erzeugenden Leuchte bereichsweise mit einem das UV-Licht reflektierenden Material beschichtet sein. Dadurch wird gewährleistet, dass UV-Licht, welches an diese Bereiche gelangt, nicht absorbiert wird, sondern reflektiert wird und zur Reinigung des Wassers dienen kann. Dadurch wird auf einfache Weise der Wirkungsgrad der erfindungsgemäßen Vorrichtung verbessert.
Außerdem ist vorgesehen, dass der UV-Licht erzeugende Körper flach, kubisch, rund, oval ringförmig oder ringsegmentförmig ausgebildet ist. Der UV-Licht erzeugende Körper ist vorzugsweise derart ausgebildet, dass seine UV-Lichtaustrittsfläche den Strömungskanal begrenzt und zumindest einen Bereich einer Wandung des Strömungskanals bildet. Das verunreinigte Wasser kann damit unmittelbar an der UV-Lichtaustrittsfläche vorbeiströmen.
Des Weiteren ist vorgesehen, dass der UV-Licht erzeugende Körper im Innenraum Verstärkungsstützen aufweist. Dies dient einer größeren Stabilität des UV-Licht erzeugenden Körpers, wobei zu berücksichtigen ist, dass sich im angrenzenden Strömungskanal hohe Drücke des zu reinigenden Wassers bilden können und im Inneren der Leuchte Unterdruck herrscht.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen, jeweils in schematischer Form:
Figur 1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Behandlung von verunreinigtem Wasser in einer Seitenansicht in einer ersten Ausführungsform;
Figur 2 die Vorrichtung aus Figur 1 in einer um 90° gedrehten Seitenansicht;
Figur 3 die erfindungsgemäße Vorrichtung in einer Seitenansicht in einer zweiten Ausführungsform;
Figur 4 die erfindungsgemäße Vorrichtung in einer Seitenansicht in einer dritten Ausführungsform;
Figur 5 die erfindungsgemäße Vorrichtung in einer Seitenansicht in einer vierten Ausführungsform;
Figur 6 die erfindungsgemäße Vorrichtung in einer Seitenansicht in einer fünften Ausführungsform; und
Figur 7 die erfindungsgemäße Vorrichtung in einer Seitenansicht in einer sechsten Ausführungsform.
Figur 1 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung 10 zur Desinfektion von verunreinigtem Wasser in einer Seitenansicht in einer ersten Ausführungsform. Figur 2 zeigt die gleiche Vorrichtung 10 in einer um 90° gedrehten Seitenansicht.
Die Vorrichtung 10 von Figur 1 umfasst zwei UV-Licht erzeugende Körper oder Leuchten 12, die mit ihrer UV-Lichtaustrittsfläche 14 einen Bereich eines Strömungskanals 16 für verunreinigtes Wasser bilden. Selbstverständlich können auch mehr als zwei UV-Licht erzeugende Körper 12 mit ihren Lichtaustrittsflächen 14 Bereiche des Strömungskanals 16 bilden. Eine Lichtaustrittsrichtung des UV-Lichts aus der Lichtaustrittsfläche 14 ist durch Pfeile 18 dargestellt. Eine Strömungsrichtung des verunreinigten Wassers ist mit einem Pfeil 20 angegeben.
Der UV-Licht erzeugende Körper 12 kann flach, kubisch, rund, oval ringförmig oder ringsegmentförmig ausgebildet sein, vorzugsweise ist der UV-Licht erzeugenden Körper 12 als ein flacher Quader ausgebildet. Wichtig ist, dass seine UV-Lichtaustrittsfläche 14 den Strömungskanal 16 begrenzt und direkt zumindest einen Bereich einer Wandung des Strömungskanals 16 bildet. Das verunreinigte Wasser kann damit unmittelbar an der UV-Lichtaustrittsfläche 14 vorbeiströmen.
Der UV-Licht erzeugende Körper 12 kann im Innenraum Verstärkungsstützen aufweisen (nicht dargestellt). Dies dient einer größeren Stabilität des UV-Licht erzeugenden Körpers 12.
Der UV-Licht erzeugenden Körper 12 umfasst als Füllgas Xenon und arbeitet nach dem bekannten Prinzip der Gasentladung, wobei durch eine Anregung des Xenon-Gases mit hochfrequenten elektromagnetischen Wellen ein UV-Licht mit einer Wellenlänge von ca. 172 nm erzeugt wird.
Bekanntermaßen hat kurzwelliges UV-Licht eine reinigende Wirkung, die in der Vorrichtung 10 ausgenutzt wird. Allerdings liegt eine Eindringtiefe des vom Xenon-Gas erzeugten UV-Lichts in Wasser bei ungefähr 5 bis 150 µm. Das bedeutet, dass das durch den Strömungskanal 16 fließende und an den Lichtaustrittsflächen 14 verunreinigte Wasser in großem Maße umgeschichtet bzw. verwirbelt werden muss, damit das gesamte Wasservolumen zumindest einmal beim Durchströmen durch die Vorrichtung 10 in die Nähe der Lichtaustrittsflächen 14, also in den Eindringbereich des UV-Lichts, kommt. Als Dicke D des Kanals 16 wird bei diesem Ausführungsbeispiel der Abstand der gegenüberliegenden Lichtaustrittsflächen 14 angesehen.
Wie aus der Figur 2 ersichtlich ist, ist der Strömungskanal 16 rechteckig ausgebildet. Er könnte aber auch einen beliebig anderen Querschnitt aufweisen, wobei abschnittsweise die Form der Leuchte 12 dem Querschnitt angepasst werden müssen, um einen Energieverlust durch nutzloses Umpumpen von verunreinigtem Wasser, zu vermeiden. Wichtig ist, dass jeweils die Lichtaustrittsfläche 14 einen Bereich des Strömungskanals 16 bildet.
Die Darstellungen sind in allen Figuren zur besseren Verdeutlichung nicht maßstabsgerecht. Eine bevorzugte Dicke D des Strömungskanals 16 liegt bei 1 mm, die Breite ist im Wesentlichen beliebig. Als obere Grenze für die Dicke D des Strömungskanals 16 haben sich 10 cm erwiesen. Bessere Reinigungsergebnisse stellen sich bei Dicken kleiner 5cm und bevorzugt kleiner 1 cm ein.
Beim Eintritt in die Vorrichtung 10 weist das verunreinigte Wasser meist eine turbulente Strömung auf, die dann in dem dünnen Kanal 16 laminar wird; was nicht erwünscht ist. Zur Verwirbelung des verunreinigten Wassers sind im Strömungskanal 16 in der ersten Ausführungsform schräg angeordnete Leitelemente 22 angeordnet, die die laminare Strömung umschichten. Damit wird ermöglicht, dass möglichst ein großer Teil des Wasservolumens an der Lichtaustrittsfläche 14 einer der beiden UV-Licht erzeugenden Körper 12 vorbeiströmt. In dieser Zeit werden durch das Xenon-Licht kurzlebige Hydroxilradikale in dem Wasser gebildet, die einen reinigenden Effekt haben.
Nach einer Verwirbelung des Wassers im Strömungskanal 16 stellt sich nach einer gewissen Länge automatisch wieder eine laminare Strömung ein. Die Länge ist von der Ausbildung des Querschnitts des Strömungskanals 16 abhängig. Bei dem spaltförmig ausgebildeten Strömungskanal 16 von 1 mm Dicke geschieht dies nach ungefähr 2 cm. Deshalb ist nach dieser Länge im Strömungskanals 16 ein weiteres Leitelement 22 angeordnet, die genauso wirkt wie das erste.
In einer Weiterbildung der Vorrichtung 10 ist vorgesehen, dass der mindestens eine UV-Licht erzeugende Körper 12 derart ausgebildet ist, dass das vorbeiströmende Wasser mindestens eine Elektrode zur Erzeugung der UV-Strahlung 18 ersetzt, indem das vorbeiströmende Wasser elektrisch kontaktierbar ist. Dabei kann eine entsprechende Gegenelektrode mit einem reflektierenden und stromleitenden Material beschichtet sein. Außerdem kann eine Innenseite des UV-Licht erzeugenden Körpers 12 bereichsweise mit einem reflektierenden und stromleitenden Material beschichtet sein.
Figur 3 zeigt eine zweite Ausführungsform der Vorrichtung 10. In dieser zweiten Ausführungsform ist als Verwirbelungselement in dem Strömungskanal 16 ein Gitter 24 parallel zu den Lichtaustrittsflächen 14 angeordnet. Das Gitter 24 kann ein Drahtgitter aus dünnen Edelstahldrähten sein. Die zweite Ausführungsform ist ansonsten wie die erste Ausführungsform ausgebildet und wirkt in gleicher Weise.
Figur 4 zeigt eine dritte Ausführungsform der Vorrichtung 10. Die dritte Ausführungsform umfasst nur einen einzigen UV-Licht erzeugenden Körper 12. An einer Gegenseite sind als Verwirbelungselemente keilförmige Erhebungen 26 im Strömungskanal 16 angeordnet. Die keilförmigen Erhebungen 26 können auch in der Lichtaustrittsfläche 14 ausgebildet sein. Die dritte Ausführungsform ist ansonsten wie die erste Ausführungsform ausgebildet und wirkt in ähnlicher Weise.
Die Verwirbelungselemente im Bereich der UV-Licht erzeugenden Körper 12 könnten auch als Netz, Spirale oder Gewebe ausgebildet sein. Außerdem kann der Strömungskanal 16 an seiner Innenseite eine Fischgrätengeometrie, Erhebung und Vertiefungen jeglicher Art, Absätze und/oder Querrillen aufweisen.
Figur 5 zeigt eine vierte Ausführungsform der Vorrichtung 10, bei der zwei sequentiell hintereinander angeordnete Bereiche des Strömungskanals 16 mit UV-Licht erzeugenden Körpern 12 versehen sind. Es könnten auch mehr als zwei solcher Bereiche Teile des Strömungskanals 16 bilden. Im Bereich der UV-Licht erzeugenden Körper 12 könnten auch beliebige Verwirbelungselemente angeordnet sein.
Sind mehr als ein Bereich mit UV-Licht erzeugenden Körpern 12 vorgesehen, ist es möglich, dass eine Zuführung des verunreinigten Wassers mittig, leicht exzentrisch oder zumindest nicht am Rand in dem Strömungskanal 16 angeordnet ist, wobei das verunreinigte Wasser anschließend in zwei entgegengesetzte Richtungen strömt (nicht dargestellt).
In einem Verbindungsbereich zwischen den beiden Bereichen mit den UV-Licht erzeugenden Körpern 12 weist der Strömungskanal 16 einen Absatz 28 auf, der als Verwirbelungselement wirkt, da er die laminare Strömung verwirbelt oder sogar eine turbulente Geschwindigkeitsverteilung erzeugt. Die von dem Absatz 28 gebildete Mischungszone ist durch eine Schraffur 32 angedeutet. Der Absatz 28 verändert nicht den Querschnitt des Strömungskanals 16. Die vierte Ausführungsform ist ansonsten wie die erste Ausführungsform ausgebildet und wirkt in ähnlicher Weise.
Figur 6 zeigt eine fünfte Ausführungsform der Vorrichtung 10. Die fünfte Ausführungsform ist ähnlich der vierten Ausführungsform ausgebildet. Jedoch verändert sich hier der Querschnitt des Strömungskanals 16 in seinem Verlauf. Zwischen den beiden Bereichen mit den UV-Licht erzeugenden Körpern 12 weist der Strömungskanal 16 ein Sammelbecken 30 für das durch die Vorrichtung 10 strömende Wasser auf. Dies führt zu einer intensiven Durchmischung des verunreinigten Wassers und erhöht die Wahrscheinlichkeit wesentlich, dass verunreinigtes Wasser häufiger in unmittelbarer Nähe der UV-Licht erzeugenden Körper 12 gelangt. Die von dem Sammelbecken 30 gebildete Mischungszone ist durch eine Schraffur 32 angedeutet. Die fünfte Ausführungsform verstärkt die Wirkung der vierten Ausführungsform.
Figur 7 zeigt eine sechste Ausführungsform der Vorrichtung 10. Die Vorrichtung 10 weist in der sechsten Ausführungsform parallel zueinander verlaufende Strömungskanäle 16 auf. In Unterschied zu en bisher gezeigten Ausführungsformen weist die Vorrichtung 10 einen UV-Licht erzeugenden Körper 12' auf, der in zwei entgegengesetzte Richtungen UV-Licht 18 abstrahlt. Das heißt, dass der UV-Licht erzeugende Körper 12 an zwei Seiten UV-Lichtaustrittsflächen 14 aufweist, die einen Bereich des Strömungskanals 16 bilden. Die beiden dargestellten Strömungskanäle 16 können außerhalb der Vorrichtung 10 miteinander verbunden sein, so dass bspw. ein mäanderförmiger Verlauf des Strömungskanals 16 gebildet werden kann. In diesem Fall würden die beiden Bereiche mit den UV-Licht erzeugenden Körpern 12 sequentiell im Strömungskanals 16 angeordnet sein.
Es ist aber auch möglich, dass separate, vollkommen unabhängige Strömungskanäle 16 durch die Vorrichtung 10 geführt werden. Dies führt zu einer Erhöhung des Durchsatzes in der Vorrichtung 10.
Die Forschungsarbeiten, die zu diesen Ergebnissen geführt haben, wurden von der Europäischen Union gefördert.

Claims (12)

  1. Vorrichtung (10) zur photochemischen Behandlung oder Reinigung von verunreinigtem Wasser, wobei die Vorrichtung (10) mindestens einen Strömungskanal (16) zum Durchleiten des verunreinigten Wassers aufweist, der zumindest bereichsweise von einer UV-Lichtaustrittsfläche (14) mindestens eines UV-Licht erzeugenden Körpers (12) begrenzt ist, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine UV-Licht erzeugende Körper (12) UV-Licht mit einer Wellenlänge von weniger als 185 nm erzeugt, und dass der mindestens eine Strömungskanal (16) eine Dicke (D) von weniger als 1 Zentimeter hat undVerwirbelungselemente (22; 24; 26; 28; 30) für das verunreinigte Wasser aufweist.
  2. Vorrichtung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verwirbelungselemente Gitter (24), Netze, Spiralen, Leitelelemente (22) und/oder Gewebe umfassen.
  3. Vorrichtung (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungskanal (16) an einer Innenseite eine Fischgrätengeometrie, Erhebungen (26) und Vertiefungen, Absätze (28) und/oder Querrillen aufweist.
  4. Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungskanal (16) einen rechteckigen Querschnitt aufweist.
  5. Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Zuführung des verunreinigten Wassers mittig in dem Strömungskanal (16) angeordnet ist, wobei das verunreinigte Wasser anschließend in zwei entgegengesetzte Richtungen strömt.
  6. Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das verunreinigte Wasser in mehreren, parallel zueinander angeordneten Strömungskanälen (16) strömt, wobei jedem Strömungskanal (16) eine UV-Lichtaustrittsfläche (14) mindestens eines UV-Licht erzeugenden Körpers (12) zugeordnet ist.
  7. Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das verunreinigte Wasser in den Strömungskanälen (16) sequentiell an mehreren UV-Lichtaustrittsflächen (14) von in der Vorrichtung (10) angeordneten UV-Licht erzeugenden Körpern (12) vorbeiströmt.
  8. Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine UV-Licht erzeugende Körper (12) derart ausgebildet ist, dass das vorbeiströmende Wasser eine Elektrode zur Erzeugung der UV-Strahlung (18) ersetzt, indem das vorbeiströmende Wasser elektrisch kontaktiert wird.
  9. Vorrichtung (10) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Elektrode mit einem reflektierenden und stromleitenden Material beschichtet ist.
  10. Vorrichtung (10) nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Innenseite des UV-Licht erzeugenden Körpers (12) bereichsweise mit einem reflektierenden und stromleitenden Material beschichtet ist.
  11. Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der UV-Licht erzeugende Körper (12) flach, kubisch, rund, oval ringförmig oder ringsegmentförmig ausgebildet ist.
  12. Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der UV-Licht erzeugende Körper (12) im Innenraum Verstärkungsstützen aufweist.
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