DE19602369A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Aufbereitung und Behandlung von elektrisch leitfähigen Flüssigkeiten, insbesondere zur Enthärtung von Wasser - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Aufbereitung und Behandlung von elektrisch leitfähigen Flüssigkeiten, insbesondere zur Enthärtung von Wasser.

Es ist bekannt, daß übermäßiger Kalkgehalt im Wasser zu technischen Problemen führt. Dieses betrifft beispielsweise die Verkalkung und Beschädigung von Wasseraufbereitungsgeräten, Rohrleitungen usw. Außerdem behindert Kalk im Wasser verschiedene Reinigungs- und Waschvorgänge sowie Kühlprozesse und dergleichen. Es gibt heute verschiedene Verfahren, den Kalk im Wasser zu behandeln bzw. aus dem Wasser zu entfernen. Kalkbehandlungsanlagen zielen darauf ab, mittels magnetischer oder elektromagnetischer bzw. elektrostatischer Felder den Kalk in eine Kristallisationsform zu bringen, die weitestgehend gewährleistet, daß vorgenannte Schäden vermieden werden. Diese Verfahren sind jedoch nicht immer exakt reproduzierbar und an allen Einsatzorten mit den unterschiedlichsten Wässern nicht befriedigend durchführbar und nachprüfbar. Die Wirkungsweise dieser Verfahren und ihre Intensität können erst nach einiger Zeit mehr oder weniger eindeutig nachgewiesen werden.

Zur Wasserenthärtung werden heutzutage fast ausschließlich chemische Verfahren benutzt. Dies sind Ausfallungsverfahren, bei denen Fällmittel den Kalk oder den gewünschten auszufällenden Stoff binden, so daß dieser anschließend ausfiltriert werden kann. Diese Verfahren sind jedoch sehr zeitaufwendig. Chemische Verfahren durch Salzzugabe bzw. durch Ionentauscher bedingen eine starke Aufsalzung des Wassers. Dieses wiederum führt beim Trinkwasser zu gesundheitlichen Beeinträchtigungen oder bei industriellen Prozessen zu unerwünschten Nebenerscheinungen. Hier werden durch Zugabe weiterer Chemikalien, wie beispielsweise Phosphate o. ä., die unerwünschten Nebenerscheinungen kompensiert. All diese Verfahren benötigen umweltschädliche Mengen an chemischen Mitteln und führen bei der Wartung und der Regeneration zu starken Umweltbelastungen des Wassers und des Abwassers.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, wobei beispielsweise die Enthärtung von Wasser ohne umweltschädliche und teuere Chemikalien durchgeführt werden kann.

Das angeführte Problem wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 gelöst.

Durch den eingeprägten elektrischen Strom in der Flüssigkeit, der in Abhängigkeit des Verhältnisses der Eingangshärte am Reaktor zum gewünschten Härtegrad am Ausgang des Reaktors konstant geregelt wird, wird eine Trübung des Wassers erreicht. Untersuchungen ergaben, daß diese Trübung auf Kalk in ganz feinen Strukturen und Kristallen von ca. 10 µ Größe zurückzuführen ist. Dieser Kalk kristallisiert durch den konstanten Stromfluß im Reaktor aus, wobei sich der kristallisierte Kalk leicht ausfiltern läßt. Ferner ist der Kalk sedimentierbar und läßt sich auch durch bekannte, unterschiedliche Abscheideverfahren sehr gut aus dem Wasser entfernen. Langzeitproben haben gezeigt, daß der Kalk, so lange er feucht ist, nicht klumpt oder verkrustet. Er kann als Kalkmilch oder pastöse Masse jederzeit leicht weiterverarbeitet werden.

Der Reaktionsvorgang im Reaktor läuft dabei wie folgt ab. Durch Elektronenverschiebungen an den Calcium-Ionen beim elektrischen Stromfluß durch das Wasser werden die Ionen veranlaßt, sogenannte "Kristallisationskeime" zu bilden. An der Grenzschicht der Elektroden, die im Reaktor vorhanden sind, entstehen höhere Temperaturen. Diese bewirken, daß die Kristallisationskeime sich zu einem fertigen Kristall ausbilden. Diese Kristalle können sich nicht mehr an den Behälter- oder Elektrodenwänden ablagern, weil sie in sich selbst bereits als fertiger Kalkstein ausgebildet sind. Sie werden vielmehr mit dem Wasserstrom fortgeschwemmt. Je nach Einsatzbereich kann dem Reaktor entweder ein Zentrifugenabscheider oder ein Preßfilter zur Abscheidung des kristallisierten Kalksteins nachgeschaltet werden.

In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann der Härtegrad am Eingang und am Ausgang des Reaktors z. B. durch je einen auf den entsprechenden Härtegrad ansprechenden Sensor bestimmt werden, wobei die Sensoren eine Stromsteuereinheit steuern.

Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine vorzugsweise anwendbare Vorrichtung beschrieben, welche dadurch gekennzeichnet ist, daß der Reaktor aus einem rohrförmigen Körper besteht, in dem zwei oder mehrere Elektroden zum Einleiten des Konstantstroms angeordnet sind und die Elektroden mit einer regelbaren Konstantstromquelle verbunden sind, die von einem Prozessor (CPU) gesteuert wird, der mit den Sensorausgängen am Einlauf des Wassers in den Reaktor und am Auslauf des Wassers aus dem Reaktor verbunden ist und am Auslauf des Wassers mit einer beliebigen Abscheideeinrichtung, z. B. einem Zentrifugalabscheider, einem Preßfilter od. dgl., verbunden ist.

Die Elektroden können gemäß Anspruch 4 aus mehreren konzentrisch ineinander angeordneten Rohren bestehen, die abwechselnd mit den Polen der positiven und negativen Klemme der Konstantstromquelle verbunden sind, wobei die Rohrelektroden auf ihren Oberflächen mit durchgehenden Bohrungen oder speziellen Ausstanzungen versehen sind.

Die Elektroden können aber auch gemäß Anspruch 5 aus Metallplatten bestehen, die im Abstand voneinander angeordnet sind und abwechselnd mit der positiven und negativen Klemme der Konstantstromquelle verbunden sind und auf ihren Oberflächen mit mehreren Bohrungen oder speziellen Ausstanzungen versehen sind.

Der Reaktor kann nach einer weiteren Ausführungsform der Vorrichtung gemäß der Erfindung auch mit mehreren, vorzugsweise drei ineinander angeordneten Behältern bestehen, wobei der Wasserzulauf im innersten Behälter angeordnet ist, in dem sich auch die platten- oder rohrförmigen Elektroden befinden, die abwechselnd mit der positiven und negativen Klemme der Konstantstromquelle verbunden sind, wobei die konzentrisch ineinander angeordneten Behälter trichterförmige Böden aufweisen, die an der Unterseite mit Öffnungen für das Entfernen der auskristallisierten Kalkablagerungen versehen sind, wobei der äußerste Behälter mit einem Wasserablauf und einem Feinfilter versehen ist. Die vorgenannte Ausführungsform gestattet es auch, einen Reaktor direkt in einen Zentrifugalabscheider oder einen ähnlichen Abscheider zu integrieren.

Eine besondere Anordnung der Steuerung des konstanten Stromes in Abhängigkeit der Wasserhärten am Eingang und am Ausgang des Reaktors kann darin bestehen, daß der Sensor am Wassereinlauf des Reaktors mit dem Ist-Input der CPU und der Sensor am Wasserauslauf mit dem Ist-Output der CPU verbunden ist und die CPU mit dem Spannungsausgang der Konstantstromquelle und der Ausgang der CPU mit dem Regeleingang I der Konstantstromquelle verbunden ist, wobei der CPU der Wert für die Soll-Enthärtung eingegeben werden kann.

Das Verfahren und die Vorrichtung gemäß der Erfindung weisen mehrere Vorteile auf, die zunächst darin zu sehen sind, daß die Enthärtung von Wasser auf eine umweltfreundliche, die Umwelt also nicht belastende Art und Weise erzielt werden kann. Die Betriebskosten werden darüber hinaus in erheblichem Maße gesenkt. Modellrechnungen haben ergeben, daß bei optimaler Anpassung an die Betriebssituation die Folge­ Betriebskosteneinsparungen bis zu 80% gegenüber herkömmlichen, chemischen Verfahren betragen. Es entstehen auch keine Entsorgungskosten, da der ausgeschiedene Kalk kein Abfall ist, sondern als natürlicher Rohstoff weiterhin verwendet werden kann.

Anhand der Zeichnungen soll an Beispielen bevorzugter Ausführungsformen die Erfindung näher erläutert werden.

In den Zeichnungen zeigt

Fig. 1 eine prinzipielle Darstellung der Vorrichtung gemäß der Erfindung mit einer Schaltungsanordnung zum Erzeugen eines konstanten, eingeprägten Stroms.

Fig. 2 zeigt in Teilansicht und aufgeschnitten die Anordnung rohrförmiger Elektroden innerhalb des Reaktors.

Fig. 3 zeigt einen Querschnitt durch die rohrförmige Elektrodenanordnung gemäß Fig. 2.

Fig. 4 zeigt die Anordnung mehrerer plattenförmiger Elektroden im Schnitt.

Fig. 5 zeigt eine prinzipielle Ansicht einer weiteren Ausführungsform des Reaktors.

Wie sich sich aus Fig. 1 ergibt, besteht der Reaktor aus einem rohrförmigen Körper 1, in dem mehrere konzentrisch ineinander angeordnete, rohrförmige Elektroden 2, 3 angeordnet sind. Im gezeigten Beispiel sind nur zwei Elektroden vorgesehen, es können aber auch, wie in den Fig. 2 und 3 gezeigt wird, mehrere sein.

Die Elektroden sind mit der positiven Klemme 4 und der negativen Klemme 5 einer Konstantstromquelle 6 verbunden.

Im Wasserzufluß 7 zum Reaktor ist ein Sensor 8 zur Bestimmung der Eingangshärte des Wassers angeordnet, der mit dem Ist-Input 9 einer CPU 10 verbunden ist.

Am Ausgang des Reaktors ist ein Wasserauslauf 11 vorgesehen, in dem ein Sensor 12 zur Bestimmung der Ausgangshärte des durch den Reaktor fließenden Wassers angeordnet ist, der mit dem Ist-Output 13 der CPU 10 verbunden ist.

Der Ausgang 14 der CPU für die Soll-Regelung ist mit der Konstantstromquelle 6 verbunden, in der der Konstantstrom in Abhängigkeit von den an den Sensoren 8 und 12 gemessenen Werten geregelt wird. Hierzu ist der Spannungsausgang 15 mit dem Spannungseingang U_V der CPU verbunden. Die Konstantstromquelle 6 ist mit der Wechselspannungsquelle des Stromnetzes von 220 V verbunden. Am Eingang 29 der CPU kann die Einstellung Soll-Enthärtung erfolgen.

In Fig. 2 und in Fig. 3 sind mehrere konzentrisch ineinandergesteckte, rohrförmige Elektroden 2, 3, 2′, 3′, 2′′, 3′′ angeordnet. Die Elektroden weisen an ihren Oberflächen durchgehende Bohrungen oder Ausstanzungen 16 auf, um einen guten Durchfluß des durchströmenden Wassers zu gewährleisten und gemäß der Bauart den Wirkungsgrad der Enthärtung zu optimieren. Die Elektroden 2, 2′, 2′′ und die Elektroden 3, 3′, 3′′ sind miteinander verbunden und an die jeweilige Stromklemme 4 bzw. 5 angeschlossen.

In Fig. 4 sind mehrere mit Bohrungen oder Ausstanzungen versehene, plattenförmige Elektroden 17, 18 jeweils mit dem Plus- oder dem Minuspol der Stromquelle verbunden.

In Fig. 5 ist eine andere Ausführungsform der Vorrichtung gemäß der Erfindung dargestellt, die im wesentlichen aus drei konzentrisch ineinander angeordneten, runden Behältern 19, 20, 21 besteht. Die Behälter weisen an der Unterseite trichterförmige Böden 22, 23, 24 auf, die mit Öffnungen 25 für den Austritt der auskristallisierten Kalkablagerungen versehen sind. Der Wasserzulauf 26 ist im innersten Behälter 21 angeordnet, in dem auch zwei prinzipiell dargestellte Elektroden 2, 3 angeordnet sind, die mit den entsprechenden Klemmen der Konstantstromquelle 6 verbunden sind. Selbstverständlich können diese Elektroden beliebige Ausführungsformen aufweisen, wie sie beispielsweise in den Fig. 2, 3 und 4 dargestellt sind.

Nach dem Eintritt des Wassers in den inneren Behälter 21 wird dieser nach Füllen überlaufen, und das Wasser gelangt in den Behälter 20. Ist dieser gefüllt, so läuft das Wasser über den oberen Rand in den äußeren Behälter 19, der an einer Außenseite einen Wasserablauf 27 aufweist, dem ein Feinfilter 28 nachgeschaltet ist.

Mit dem Verfahren und der Vorrichtung gemäß der Erfindung ist es möglich, eine beliebig große Wasserhärte auf mindestens 70 bis 80 dH herunterzuregeln. Die beiden Sensoren, die indirekt den Härtegrad des Eingangswassers sowie des Ausgangswassers erfassen, bestimmen die Regelcharakteristik. Die Elektroden bestehen im allgemeinen aus korrosionsfesten Edelmetallen gemäß dem Stand der Technik im Bereich der Galvanik oder, je nach Einsatzfall, aus anderen leitfähigen Materialien. Der ausgefilterte bzw. abgeschiedene Kalk kann trocken oder als eingedickter Brei einfach entsorgt werden. Die Betriebskosten der Vorrichtung gemäß der Erfindung sind verhältnismäßig gering. Um 1 l Wasser um 100 dH zu senken, benötigt die Vorrichtung nur etwa 0,5 W Stundenleistung.

Bei besonderen Ausführungsformen der Vorrichtung gemäß der Erfindung werden etwa 4 V für einen Stromdurchfluß von 12 A benötigt, bezogen auf ein Reaktorvolumen von vier Litern.

Gegenüber der ersten Ursprungsversuchsanordnung konnte der Leistungsbedarf durch Weiterentwicklung der Reaktorbauart, insbesondere der Bauart der Elektroden, bereits um zwei Zehnerpotenzen verbessert werden. Dies kann z. B. dadurch geschehen, daß die Ausstanzungen in den Elektroden polygon ausgebildet sind.

Claims (8)

1. Verfahren zur Aufbereitung und Behandlung von elektrisch leitfähigen Flüssigkeiten, insbesondere zur Enthärtung von Wasser, dadurch gekennzeichnet, daß die aufzubereitende oder zu behandelnde Flüssigkeit einem Reaktor zugeführt wird, in dem die einfließende Flüssigkeit von einem eingeprägten, elektrischen Strom durchflossen wird, der in Abhängigkeit des Verhältnisses des Härtegrades am Flüssigkeitseinlauf des Reaktors zum gewünschten Härtegrad am Auslauf des Reaktors konstant geregelt wird, worauf die kristallin abgeschiedene Masse einer beliebigen Abscheideeinrichtung zugeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Härtegrad des Wassers am Einlauf in den und am Auslauf aus dem Reaktor durch je einen Sensor bestimmt wird, wobei die Sensoren über eine Steuereinheit die Konstantstromquelle aussteuern.

3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Reaktor aus einem rohrförmigen Körper (1) besteht, in dem Elektroden (2, 3) zum Einleiten des konstanten elektrischen Stroms angeordnet sind, wobei die Elektroden mit einer regelbaren Konstantstromquelle (6) verbunden sind, die von einer Prozessoreinheit (CPU) (10) gesteuert wird, die mit den Ausgängen (9 bzw. 13) der Sensoren (8) am Einlauf (7) des Wassers in den Reaktor und dem Sensor (12) am Auslauf (11) des Wassers aus dem Reaktor verbunden ist, und der Auslauf (11) des Wassers mit einer Abscheideeinrichtung, z. B. einem Zentrifugenabscheider oder einem Preßfilter, versehen ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (2, 3) im Reaktor aus mehreren konzentrisch ineinander angeordneten Rohren (2, 2′, 2′′ und 3, 3′, 3′′) bestehen, die abwechselnd mit den Polen der positiven und der negativen Klemme der Konstantstromquelle (6) verbunden sind, wobei die Rohrelektroden auf ihren Oberflächen mit durchgehenden Bohrungen oder speziellen Ausstanzungen (16) versehen sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden aus Metallplatten (17, 18) bestehen, die im Abstand voneinander angeordnet sind und abwechselnd mit der positiven und der negativen Klemme der Konstantstromquelle (6) verbunden sind und auf ihren Oberflächen mit mehreren durchgehenden Bohrungen oder speziellen Ausstanzungen versehen sind.

6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Reaktor aus mehreren, vorzugsweise drei ineinander angeordneten Behältern (19, 20, 21) besteht, wobei der Wasserzulauf (26) im innersten Behälter (21) angeordnet ist, in dem sich die platten- oder rohrförmigen Elektroden (2, 3) befinden, die abwechselnd mit der Konstantstromquelle (6) verbunden sind, wobei die Behälter (19, 20, 21) trichterförmige Böden aufweisen, die an der Unterseite mit Öffnungen (25) für die Entnahme der kristallisierten Kalkablagerungen versehen sind, wobei der äußerste Behälter (19) mit einem Wasserablauf (27) und einem nachgeschalteten Feinfilter (28) versehen ist.

7. Vorrichtung nach den Ansprüchen 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (8) am Wassereinlauf des Reaktors mit dem Ist-Input (9) der CPU (10) und der Sensor (12) am Wasserauslauf des Reaktors mit dem Ist-Output (13) an der CPU (10) verbunden ist und die CPU (10) mit dem Spannungsausgang (15) der Stromquelle (6) und der CPU-Ausgang (14) mit dem Soll-Regeleingang der Konstantstromquelle (6) verbunden ist, wobei am Eingang der CPU die Einstellung der Soll-Enthärtung (29) erfolgt.

8. Vorrichtung nach den Ansprüchen 3, 4, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausstanzungen in den Elektroden polygon ausgebildet sind.