DE102007013533A1 - Ultraschall gestütztes Verfahren und Vorrichtung zur Gasbeladung und Entkeimung von durch Keime kontaminierten Flüssigkeiten und Kläranlagen - Google Patents

Ultraschall gestütztes Verfahren und Vorrichtung zur Gasbeladung und Entkeimung von durch Keime kontaminierten Flüssigkeiten und Kläranlagen Download PDF

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    • B01F23/23761—Aerating, i.e. introducing oxygen containing gas in liquids
    • B01F23/237613—Ozone

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein ultraschallgestütztes Verfahren und eine Vorrichtung zum Lösen von Gasen, gekennzeichnet durch einen in einer Reaktionskammer (2) rotierenden scheibenförmigen Rotationskörper (5), welcher durch akustische Energie in Resonanz schwingt, sowie eine damit verbundene Einrichtung zum Vermischen und Lösen von Gasen wie Sauerstoff und/oder Ozon in Flüssigkeit durch Hydrokavitation und Ultraschall-Kavitation.

Description

  • Die vorliegende Erfinung betrifft ein ultraschall gestütztes Verfahren und eine entsprechende Vorrichtung zur Gasbeladung und Entkeimung von durch Keime kontaminierten Flüssigkeiten und Abwasser von Kläranlagen.
  • Die DE 41 13 578 A1 beschreibt eine Einrichtung zur Gasbeladung von viskosen Flüssigkeiten durch Ultraschallwandler mit zwei aktiven Elementen, einem mechanischen Kavitationselement in Form einer diskusförmigen, schnell rotierenden Scheibe mit axialen Bohrungen und einem Resonanzraum, der von mehreren gegenüberliegenden Ultraschallelementen beschallt wird. Diese Einrichtung ist jedoch nicht zur Gasbeladung von niederviskosen Flüssigkeiten anwendbar, insbesondere nicht für große Volumenströme, wie sie in Kläranlagen anfallen.
  • Andere Gasbeladungssysteme, wie zum Beispiel Venturiverfahren zur Gasbeladung, zeigen, dass eine quantitative Inaktivierung von Keimen bei der Belüftung mit Gasen wie zum Beispiel Sauerstoff innerhalb von wenigen Stunden nicht sicher erreicht werden kann, weil diese unzureichend in der Flüssigkeit gelöst sind. Die hingegen nur kurzzeitig mit O2 in Berührung kommenden Organismen erfahren keine ausreichend starke oxydierende Wirkung, um merkliche Schäden an Keimen hervorzurufen.
  • Beim Einleiten von Gasen unter hohem Druck in eine Flüssigkeit ist die Erzeugung von Mikroblasen nur schwer möglich, da durch den Innendruck der Blasenradius anwächst und damit die Flüssigkeit lediglich aufschäumt. Dabei wird nur ein geringer Anteil des Gases gelöst. Ein weiterer Nachteil ist der hohe Energiebedarf bei Erzeugung der notwendigen Druckdifferenz zwischen den zu beladenden Fluiden und dem zu lösenden Gas.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, die in der Lage ist, Dispersionen mit kleinsten Bläschen zu erzeugen sowie unter der Anwendung von Ultraschall Gase wie Sauerstoff und/oder Ozon akustisch zu lösen.
  • Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß durch den Patentanspruch 1 gelöst.
  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein ultraschallgestütztes Verfahren zur Vermischung und Lösung von Gasen in Flüssigkeiten durch mechanische Ultraschallkavitation.
  • Wenn Abwasser aus Kläranlagen in Oberflächengewässer eingeleitet wird, ist es nach dem Stande der Technik ausreichend geklärt; es enthält aber dennoch eine hohe Fracht an Nährstoffen, Bakterien und Keimen, die gesundheitsschädlich sind und das Baden in Flüssen und Seen zu einem Gesundheitsrisiko werden lassen. EU-Verordnungen schreiben deshalb selbst beim Einleiten ins Meer an Badestränden eine Keimreduzierung vor. Durch das ultraschallgestützte Verfahren und die Vorrichtung nach der Erfindung werden Keime und Viren aus Abwässern, aus prozessbedingt kontaminierten Flüssigkeiten aus Kläranlagen oder aus landwirtschaftlichen Betrieben durch gezielte Oxidation zerstört.
  • In einer vorteilhaften Ausführungsform nach der Erfindung besteht die Vorrichtung aus einer Reaktionskammer, an derem oberen Ende ein mit einem durch einen drehzahlgeregelten Antrieb gekoppelter Rotationskörper angeordnet ist, welcher am Außenumfang in einem Winkel zur Achsmitte Ultraschall-Leistungswandler aufweist, die versetzt gegenüberliegend angeordnet sind und Ultraschallenergie als Elementarwelle über die Flüssigkeit in einen Rotationskörper einkoppeln.
  • Die Ultraschallleistungswandler sind an ihrer Kontaktfläche zur Flüssigkeit mit einer Schutzschicht beschichtet, die sie galvanisch gegenüber der Flüssigkeit isoliert und gegen chemische Einflüsse schützt. Zwischen den Stirnseiten sind die Befestigungsteile, mit denen die Ultraschallleistungswandler befestigt sind, vorzugsweise aus elektrisch nichtleitender Keramik oder elektrisch nichtleitendem Kunststoff hergestellt. Der Übergang zwischen der glasartigen Schutzschicht und der Kontaktfläche ist durch eine elastische Dichtung leckfrei abgedichtet. In dieser Ausgestaltung nach der Erfindung sind beide Stirnflächen Arbeitsflächen und verbessern damit den Wirkungsgrad.
  • Die Einleitung der zu behandelnden Flüssigkeit erfolgt unterhalb des rotierenden Strömungskörpers über eine Zuleitung, welche in der Reaktionskammer vor den gegenüberliegenden Ultraschall-Leistungswandlern endet. Die Ausleitung der Flüssigkeit oberhalb des Rotationskörpers ist radial von einem Ultraschallleistungswandler versetzt angeordnet. Die zu behandelnde Flüssigkeit wird durch einen in der Reaktionskammer rotierenden, scheibenförmigen Rotationskörper und einer damit verbundenen Einrichtung mit Sauerstoff und/oder Ozon angereichert. Durch dieses Verfahren nach der Erfindung ist eine sehr wirtschaftliche Entkeimung großer Flüssigkeitsmengen mit geringen Gasmengen wie Ozon oder Sauerstoff gewährleistet. Die mit Ozon in Berührung kommenden Mikroorganismen werden in kürzester Zeit abgetötet.
  • Diese vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist der zur Abtötung von Mikroben durch direkte Bestrahlung mit UV-Licht weit überlegen, da auch deren Wirkung keine ausreichende Sicherheit aufweist, weil zum Beispiel im Schatten befindliche Mikroben nicht abgetötet werden. Weiterhin ist bei der Behandlung von Wasser die Mortalität der sich in mit Schmutz vermischten Luftblasen befindlichen Mikroben nicht gewährleistet. Die ultravioletten Lichtstrahlen, die sowohl von UV-Ozongeneratoren als auch von keimtötenden UV-Lampen ausgestrahlt werden, zerstören Bauteile und Komponenten, Kunststoffteile, Dichtungen und alle anderen mit UV-Licht bestrahlten Produkte.
  • Ein weiterer Vorteil des Verfahrens und der Vorrichtung nach der Erfindung ist, dass sich in kurzer Zeit Ozon, welches sich in der Behandlungszone befindet, in reinen Sauerstoff verwandelt. Deshalb sind keine zu entsorgenden Rückstände vorhanden. Diese Behandlung kann wirklich jedes Mal, wenn sie gewünscht ist, durchgeführt werden. In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann Ozon auch in den Flüssigkeitsstrom vor dem Ultraschallgenerator und/oder durch die Achse des Rotationskörpers zugeführt werden.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindungen bilden den Gegenstand der Unteransprüche.
  • Ein Ausführungsbeispiel wird im Folgenden unter Bezugnahme der Zeichnungen näher beschrieben.
  • 1 zeigt eine Draufsicht und eine Teilschnittansicht der Vorrichtung 1 nach der Erfindung, mit einer Reaktionskammer 2 mit einem am oberen Ende 4 angeordneten Rotationskörper 5, welcher durch einen stufenlosen Regelantrieb 6 angetrieben wird, und einer Hohlwelle 8 mit einer Tiefbohrung 10 und Querbohrung 12, welche über einen Kanal 14 im Gehäuse 16 mit der Gaseinrichtung 18 (nicht dargestellt) verbunden ist. Am unteren Ende 20 der Reaktionskammer 2 ist die Zuleitung 22 der zu behandelnden Flüssigkeit angeordnet. Direkt in einem radialen Abstand ist ein akustischer Ultraschallgeber 24 angebaut, und am Flüssigkeitsaustritt 26 oberhalb des scheibenförmigen Rotationskörpers 5 ist ein weiterer in einem radialen Abstand akustischer Ultraschallgeber 25 angeordnet.
  • 2 zeigt eine Draufsicht und eine Teilschnittansicht eines Rotationskörpers 5 mit auf der stärker gekrümmten Stirnseite 29 zur Mittelachse 30 radial angeordneten Gasaustrittsbohrungen 31, 32, 33 und 34, welche in einem Winkel 35 geneigt in einen radial um die Mittelachse angeordneten Einstich 36 münden. Der Rotationskörper 5 hat zwischen den Taschen 37, 38 der unteren Hüllfläche 39 an der oberen Hüllfläche 40 eine ellipsoidförmig gestaltete Tasche 41, die so ausgebildet ist, dass sich Durchbrüche 42 zwischen den Hüllflächen 39 und 40 ergeben.
  • 3 zeigt einen Ultraschallleistungswandler 25, dessen Gehäuse 52 vorzugsweise aus elektrisch nichtleitender Keramik oder Kunststoff hergestellt ist, in Vorderansicht und Längsschnittansicht, mit einem scheibenförmigen Ultraschall-Aktuator 43, dessen gegenüberliegende Stirnseiten 47 und 48 nach 3 an dem nicht mit der Flüssigkeit in Kontakt stehenden Bereich 53 mit einer Silberschicht 54 beschichtet ist. Der mit der Flüssigkeit in Kontakt kommende Bereich ist mit einer Schutzschicht 50, 50a versehen. Der Übergang 55 zwischen der Schutzschicht 50 und der Silberringfläche 46 wird durch elastische Dichtungen 86 und 87 abgedichtet.
  • 4 zeigt einen Ultraschallaktuator 43 in seiner Vorder- und Seitenansicht nach der Erfindung, mit einer ringförmigen Silberschichtfläche 54 auf den sich gegenüberliegenden Stirnseiten 47 und 48 des Aktuators und radial außerhalb der Schutzschicht 50.
    • 1
    Vorrichtung
    2
    Reaktionskammer
    4
    Oberes Ende
    5
    Rotationskörper
    6
    Regelantrieb
    8
    Hohlwelle
    10
    Tiefbohrung
    12
    Querbohrung
    14
    Kanal
    16
    Gehäuse
    18
    Gaseinrichtung
    20
    Unteres Ende
    22
    Zuleitung
    24
    Ultraschallgeber
    25
    Ultraschallgeber
    26
    Flüssigkeitsaustritt
    27
    Flüssigkeitsaustritt
    29
    Stirnseite
    30
    Mittelachse
    31
    Gasaustrittsbohrung
    32
    Gasaustrittsbohrung
    33
    Gasaustrittsbohrung
    34
    Gasaustrittsbohrung
    35
    Winkel
    36
    Einstich
    37
    Tasche
    38
    Tasche
    39
    Untere Hüllfläche
    40
    Obere Hüllfäche
    41
    ellipsoidförmige Tasche
    42
    Durchbruch
    46
    Silberringfläche
    47
    Stirnfläche
    48
    Stirnfläche
    50
    Glasartige Schutzschicht
    52
    Gehäuse
    53
    Bereich
    54
    Silberschicht
    55
    Übergang
    56
    Elastische Dichtung
    57
    Elastische Dichtung
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • - DE 4113578 A1 [0002]

Claims (11)

  1. Verfahren und Vorrichtung zum Lösen von Gasen in Flüssigkeiten, dadurch gekennzeichnet, dass in der zu behandelnden Flüssigkeit Sauerstoff und/oder Ozon sonochemisch molekular dispers gelöst wird, um Bakterien, Keime und Viren in der Flüssigkeit durch gezielte Oxidation zu zerstören.
  2. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der Flüssigkeit durch einen in einer Reaktionskammer rotierenden scheibenförmigen Rotationskörper, welcher durch akustische Energie in Resonanz schwingt, und eine damit verbundene Einrichtung (z. B. Aktuator (43), UV-Strahlungsquelle), Sauerstoff oder Ozon sonochemisch gelöst wird.
  3. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die durch die hohe Umfangsgeschwindigkeit eines Rotationkörpers entstehende Hydrokavitation eine Matrix aus Gas und Flüssigkeit mikroskopisch feinster Bläschen bildet, deren Innendruck kleiner ist als der Umgebungsdruck in der Flüssigkeit oder annähernd dem Umgebungsdruck in der Flüssigkeit entspricht.
  4. Verfahren und Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das zu lösende Gas flüssiger oder gasförmiger Sauerstoff ist und in der zu behandelnden Flüssigkeit akustisch gelöst wird.
  5. Verfahren und Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das zu lösende Gas Umgebungsluft ist und der darin enthaltene Sauerstoff in der zu behandelnden Flüssigkeit durch Ultraschall akustisch gelöst wird.
  6. Verfahren und Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das zu lösende Gas Ozon ist.
  7. Verfahren und Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das zu lösende Gas durch UV-Licht unmittelbar vor oder in der Lösung in Ozon verwandelt wird.
  8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotationskörper in der Nähe der Ultraschallquelle angeordnet ist.
  9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotationskörper linsenförmig ausgebildet ist und an wenigstens einer seiner Stirnseiten eine rotationssymmetrisch radial verlaufende gekrümmte Hüllfläche aufweist.
  10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die rotationssymmetrisch radial verlaufende gekrümmte Hüllfläche des Rotationskörpers durch in einem Winkel in gegenseitigem Abstand radial angeordnete ellipsoidförmig gestaltete Taschen unterbrochen ist.
  11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Taschen der unteren Hüllfläche und der oberen Hüllfläche eine ellipsoidförmig gestaltete Tasche derart angeordnet ist, dass sich ein Durchbruch zwischen den Hüllflächen ergibt.
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