WO2007041973A1 - Liquid preparation method for sterilisation and elimination by steam cavitation and degassing - Google Patents

Liquid preparation method for sterilisation and elimination by steam cavitation and degassing Download PDF

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Definitions

  • the invention relates to a method for the treatment of liquids for the purpose of sterilization and elimination of organic matter contained therein, wherein the liquid is exposed to the effect of steam cavitation and a controlled degassing.
  • the process is based on ultrasonic sterilization and generated oxidative processes to produce "pure liquids", ie.
  • UV disinfection has a sterilizing effect.
  • the sterilizing effect can be severely limited by possible clouding or dyeing of the liquids, since a sufficient penetration of the liquids by UV radiation is a necessary prerequisite for achieving the sterilizing effect.
  • Ultrasonically induced and maintained oxidative processes can degrade organic pollutants and endotoxins in such a way that they are harmless.
  • the water vapor bubbles the size of which depends on the generator frequency, collapse, generating energies that in turn generate radicals.
  • These radicals are able to destroy organic structures.
  • OH radicals combine to form H 2 O 2 (hydrogen peroxide), which is known as a strong oxidizer of organic compounds.
  • This principle can e.g. be used in the construction of the degassing. Nozzles create a pressure drop in the housing and a strong local increase in flow velocity. The resulting pressure drop degasses the liquid, as a pressure gradient is generated to atmospheric pressure.
  • the object of the invention is the preparation and treatment of liquids under dynamic conditions for the purpose of sterilization and elimination of organic pollutants contained therein, wherein the liquid is subjected to the effect of a controlled degassing and ultrasonic waves. Furthermore, the invention relates to a device for the treatment of liquids for the purpose of sterilization and elimination of pollutants contained therein, comprising at least one ultrasonic generator and a housing surrounding the generator.
  • a radical generation and the associated high efficiency is created by the combination of the selected ultrasonic wavelengths and their performance and by controlled degassing of the liquids.
  • the device according to the invention may consist essentially of one or more hollow bodies, through which or through which the liquid to be treated is passed. It can be arranged outside a device or introduced into a device or else be an integral part of a device. Essential for the device of the invention is that in the hollow body at least one ultrasound generator is located with a power> 1 watt / cm 2 , wherein the or the ultrasound emit at least one wavelength from the spectrum> 18 KHz.

Abstract

The invention relates to a method for preparing liquids for sterilisation and elimination of harmful substances contained therein, the liquid being subjected to controlled degassing (3) and ultrasound (2, 2`, 2'). Said method is characterised in that a degassing of the liquid flowing into the hollow body (1) (supply 4) causes an increase in the steam cavitation by ultrasound (2, 2`, 2'), generating a considerably higher quantity of OH radicals and H2O2.

Description

Flüssigkeitsaufbereitungsverfahren zur Sterilisation und Elimination durch Dampfkavitation und EntgasungFluid treatment process for sterilization and elimination by steam cavitation and degassing
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Aufbereitung von Flüssigkeiten zwecks Sterilisation und Elimination von darin enthaltenen organischen Stoffen, wobei die Flüssigkeit der Wirkung von Dampfkavitation und einer kontrollierten Entgasung ausgesetzt wird.The invention relates to a method for the treatment of liquids for the purpose of sterilization and elimination of organic matter contained therein, wherein the liquid is exposed to the effect of steam cavitation and a controlled degassing.
Das Verfahren basiert auf der Ultraschall - Sterilisation und erzeugten oxidativen Prozessen, zur Erzeugung von „reinen Flüssigkeiten" d.h.:The process is based on ultrasonic sterilization and generated oxidative processes to produce "pure liquids", ie.
- Abtöten von Mikroorganismen- killing microorganisms
Elimination von pyrogenen undElimination of pyrogenic and
- Abbau von organischen Stoffen unter dynamischen Bedingungen, mit einem bestimmten und hohem Wirkungsgrad durch Entgasung der Flüssigkeit.- Degradation of organic substances under dynamic conditions, with a certain and high efficiency by degassing of the liquid.
Im Rahmen vieler Anwendungen ist eine hohe Reinheit von Flüssigkeiten eine absolute Notwendigkeit. Eine adäquate Flüssigkeitsaufbereitung ist in der Praxis jedoch aufgrund von fehlenden technischen Realisierungsmöglichkeiten nur allzu oft nicht möglich. Dabei meint adäquate Wasseraufbereitung eine Eliminierung problematischer Mikroorganismen (Keime, Viren, Pilze, u. a.) und Pyrogene (Endotoxine, Exotoxine). Zu erwähnen sind zudem Schadstoffe wie Pestizide, u.a. Dies gilt insbesondere bei Anwendungen die wässrige Flüssigkeiten benötigen und die während der Anwendung zuvor unzureichend aufbereitet bezogen werden.In many applications, high purity of liquids is an absolute necessity. However, due to the lack of technical realization possibilities, adequate liquid treatment is only too often not possible in practice. In this case, adequate water treatment means the elimination of problematic microorganisms (germs, viruses, fungi, etc.) and pyrogens (endotoxins, exotoxins). Noteworthy are also pollutants such as pesticides, u.a. This applies in particular to applications which require aqueous liquids and which are previously obtained inadequately prepared during use.
Derzeit ist die Herstellung von so genannten „reinen Flüssigkeiten" in oben beschriebenen Anwendungen oft nur unter Verwendung von Filtern (in Kombination mit einem Aktivkohlefilter) möglich. Dieser Aufbereitungsschritt kann jedoch sehr kostenintensiv sein und bietet langfristig aufgrund der Gefahr der Bildung multiresistenter Keime keine befriedigende Lösung.Currently, the production of so-called "pure liquids" in applications described above is often only possible using filters (in combination with an activated carbon filter), but this treatment step can be very costly and does not provide a satisfactory long term solution due to the risk of multiresistant germ formation ,
Auch die aus der Literatur bekannten theoretischen Möglichkeiten der UV- Desinfektion ist prinzipiell eine Alternative zum Sterilfilter im Rahmen der Flüssigkeitsaufbereitung. Es ist bekannt, dass die UV-Desinfektion eine sterilisierende Wirkung hat.The known from the literature theoretical possibilities of UV disinfection is in principle an alternative to the sterile filter in the context of Liquid treatment. It is known that the UV disinfection has a sterilizing effect.
Bei der Sterilisation durch UV-Strahlen werden lebende Mikroorganismen durch Veränderung der DNA mit einer Wellenlänge X=254nm abgetötet oder inaktiviert.UV sterilization kills or inactivates living microorganisms by altering the DNA at a wavelength of X = 254nm.
Die sterilisierende Wirkung kann allerdings durch mögliche Trübungen oder Färbungen der Flüssigkeiten stark eingeschränkt sein, da eine ausreichende Durchdringung der Flüssigkeiten durch UV - Strahlung eine notwendig Voraussetzung zur Erzielung der sterilisierenden Wirkung ist.However, the sterilizing effect can be severely limited by possible clouding or dyeing of the liquids, since a sufficient penetration of the liquids by UV radiation is a necessary prerequisite for achieving the sterilizing effect.
Durch Ultraschall ausgelöste und unterhaltene oxidative Prozesse lassen sich organische Schadstoffe und Endotoxine derart abbauen, dass diese unschädlich sind. Ultrasonically induced and maintained oxidative processes can degrade organic pollutants and endotoxins in such a way that they are harmless.
Wirkung des Ultraschalls:Effect of ultrasound:
Es ist aus der Literatur bekannt (http://edocs.tuberlin.de/diss/2004/ zenkermarco.pdf www.bandelin.com), dass Ultraschall ab einer Leistung von 1 Watt pro cm2 in Flüssigkeiten Kavitation erzeugt. Durch diese Kavitation entstehen in Flüssigkeiten unterschiedliche Kavitationsblasen.It is known from the literature (http://edocs.tuberlin.de/diss/2004/ zenkermarco.pdf www.bandelin.com) that ultrasound generates cavitation from a power of 1 watt per cm 2 in liquids. This cavitation creates different cavitation bubbles in liquids.
- 1. aus den in der Flüssigkeit gelösten Gasen - 2.: Wasserdampfblasen, die bei NichtVorhandensein von gelösten Gasen in der Flüssigkeit entstehen.- 1. from the gases dissolved in the liquid - 2 .: water vapor bubbles, which arise in the absence of dissolved gases in the liquid.
Die Wasserdampfblasen, deren Größe von der Erzeugerfrequenz abhängig ist, kollabieren und erzeugen dabei Energien, die wiederum Radikale erzeugen. Diese Radikale (OH-Radikale) sind in der Lage, organische Strukturen zu zerstören. Des weiteren verbinden sich OH-Radikale zu H2O2 (Wasserstoffperoxid), das als starker Oxidator von organischen Stoffen bekannt ist.The water vapor bubbles, the size of which depends on the generator frequency, collapse, generating energies that in turn generate radicals. These radicals (OH radicals) are able to destroy organic structures. Furthermore, OH radicals combine to form H 2 O 2 (hydrogen peroxide), which is known as a strong oxidizer of organic compounds.
Der Nachweis ist in der Literatur (Alois Jungbauer Universität Wien) beschrieben: Es wird destiliertem Wasser (H2O) Kaliumjodid zugeführt und der entsprechenden Ultraschallleistung und Frequenz ausgesetzt. Entstehende OH - Radikale führen zu einer chemischen Reaktion, wodurch Jod entsteht. Ferner gilt die Jodbildung als Indikator für den Wirkungsgrad des angewandten Verfahrens.The proof is described in the literature (Alois Jungbauer University Vienna): It is supplied to distilled water (H 2 O) potassium iodide and exposed to the appropriate ultrasonic power and frequency. Evolving OH radicals cause a chemical reaction, which causes iodine to form. Furthermore, iodine formation is an indicator of the efficiency of the process used.
Wirkung der Entgasung :Effect of degassing:
In der Literatur wird ausführlich (http://edocs.tuberlin.de/diss/2004 /zenkermarco.pdf, www.bandelin.com) beschrieben, dass eine Entgasung von Flüssigkeiten, in denen Kavitationsblasen, deren Energie ausreicht um bei Implosion (dem Kavitationsjet) Radikale zu erzeugen, notwendig ist. (Nur bei Entstehung eines Kavitationsjets, der auch zur Reinigung von Oberflächen genutzt wird, entsteht genügend Energie um Radikale zu erzeugen). Wechselwirkung Ultraschall - Entgasung:In the literature is described in detail (http://edocs.tuberlin.de/diss/2004 /zenkermarco.pdf, www.bandelin.com), that a degassing of liquids in which cavitation bubbles whose energy is sufficient to implosion (the Cavitation jet) to generate radicals is necessary. (Only when a cavitation jet is created, which is also used to clean surfaces, does it generate enough energy to generate radicals). Interaction Ultrasonic Degassing:
Um die sonochemischen Effekte der Kavitation zur Herstellung „reiner Flüssigkeiten" zu nutzen, ist dieses Verfahren entwickelt worden, um den notwendigen hohen Wirkungsgrad der Kavitation in einem Desinfektionssystem zu gewährleisten. Es wird die Flüssigkeit beim Einströmen in den Behälter mit Ultraschall-Erzeuger entgast z.B. durch Druckunterschiede der durchströmenden Flüssigkeiten.In order to exploit the sonochemical effects of cavitation for the production of "pure liquids", this method has been developed to ensure the necessary high efficiency of cavitation in a disinfection system.The liquid is degassed as it flows into the container with ultrasonic generator eg by Pressure differences of the flowing liquids.
Daniel Bernoulli, Schweizer Wissenschaftler, entdeckte im 18. Jahrhundert die Grundprinzipien der Hydrodynamik.Daniel Bernoulli, Swiss scientist, discovered the basic principles of hydrodynamics in the 18th century.
Er studierte die Strömung von Flüssigkeiten und formulierte unter anderem die Prinzipien, dass der Druck, der von einer Flüssigkeit ausgeübt wird, umgekehrt proportional zu ihrer Strömungsgeschwindigkeit ist und dass die Summe aus Geschwindigkeit und Druck in strömenden Flüssigkeiten konstant ist. Dies bezeichnet man als das »Bernoulli-Prinzip«.He studied the flow of liquids and formulated, among other things, the principles that the pressure exerted by a liquid is inversely proportional to its flow velocity and that the sum of velocity and pressure in flowing liquids is constant. This is called the Bernoulli Principle.
Dieses Prinzip kann z.B. bei der Konstruktion der Entgasung genutzt werden. Düsen erzeugen einen Druckabfall im Gehäuse und eine starke lokale Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit. Der dabei entstehende Druckabfall entgast die Flüssigkeit, da ein Druckgefälle zum Atmosphärendruck erzeugt wird.This principle can e.g. be used in the construction of the degassing. Nozzles create a pressure drop in the housing and a strong local increase in flow velocity. The resulting pressure drop degasses the liquid, as a pressure gradient is generated to atmospheric pressure.
Diese Entgasung wird einfach durch Flüssigkeitsprobenentnahme und deren Gasanalyse vor und nach dem Einlauf in das System nachgewiesen. Ein direkter Zusammenhang zwischen Entgasung und Wirkungsgrad zur Herstellung „reiner Flüssigkeiten" im System ist bestimmt.This degassing is easily detected by liquid sampling and gas analysis before and after entry into the system. A direct relationship between degasification and efficiency for the production of "pure liquids" in the system is determined.
Derzeit gibt es jedoch kein Gerät oder Verfahren auf der Basis der Ultraschall- Sterilisation und unter in Wechselwirkung erzeugten oxidativen Prozessen, dass die Erzeugung von „reinen Flüssigkeiten" d. h. Abtöten von Mikroorganismen, Elimination von pyrogenen und Abbau von organischen - Schadstoffen, unter dynamischen Bedingungen, mit einem bestimmten und hohem Wirkungsrad durch kontrollierter Entgasung der Flüssigkeit ermöglicht. Durch die vorliegende Erfindung ist erstmalig ein Gerät und ein Verfahren entwickelt worden, mit dem unter dynamischen Bedingungen „reine Flüssigkeiten" mit einem bestimmten und hohen Wirkungsrad mittels Ultraschall und der Wechselwirkung einer kontrollierten Entgasung hergestellt werden. Dabei ermöglicht die Erfindung, reine Flüssigkeiten in einem von der jeweiligen Anwendungsform abhängigen Zeitlimit ohne weitere Chemikalienzusätze oder kostenintensive Hilfsmittel herzustellen. Dadurch werden diese Anwendungen qualitativ auf ein deutlich höheres Niveau gehoben.At present, however, there is no apparatus or method based on ultrasonic sterilization and interacting oxidative processes that detects the generation of "pure liquids", ie, microorganism killing, pyrogenic elimination and degradation of organic pollutants under dynamic conditions, with a certain and high degree of efficiency by controlled degassing of the liquid allows. The present invention has for the first time developed a device and a method by which "pure liquids" with a certain and high degree of efficiency are produced under dynamic conditions by means of ultrasound and the interaction of controlled degassing Depending on the particular application form, they can be produced without any additional chemicals or cost-intensive auxiliaries, thereby raising the quality of these applications to a significantly higher level.
Dies kann beim derzeitigen Stand der Technik mit keinem Gerät oder Verfahren gelöst werden. Mit bekannten Verfahren sind lediglich einige Teilaspekte einer Flüssigkeitsaufbereitung möglich:This can be solved in the current state of the art with no device or method. With known methods, only a few aspects of liquid processing are possible:
1. Sterilisation von strömenden Flüssigkeiten durch UV-Strahlen der Wellenlänge X=254nm.1. Sterilization of flowing liquids by UV rays of wavelength X = 254nm.
2. Abbau von Kohlenwasserstoffen in strömenden Flüssigkeiten unter Verwendung von X=185nm, kombiniert mit weiteren Methoden (keine Spezifizierung des Herstellers).2. Degradation of hydrocarbons in flowing liquids using X = 185nm, combined with other methods (no manufacturer's specification).
3. Die Sterilisation und Oxidation organischer Substanzen durch UV-Strahlen der Wellenlänge X=254nm unter Hinzugabe von OH — Radikalerzeugern wie Wasserstoffperoxid und Ozon.3. The sterilization and oxidation of organic substances by UV rays of wavelength X = 254nm with addition of OH - radical generators such as hydrogen peroxide and ozone.
4. Erzeugung von Radikalen durch Bestrahlen von Titandioxid mit X=360nm4. Generation of radicals by irradiation of titanium dioxide with X = 360 nm
Aufgabe der Erfindung ist die Erstellung und Aufbereitung von Flüssigkeiten unter dynamischen Bedingungen zwecks Sterilisation und Elimination von darin enthaltenen organischen Schadstoffen, wobei die Flüssigkeit der Wirkung einer kontrollierten Entgasung und Ultraschallwellen ausgesetzt wird. Weiterhin bezieht sich die Erfindung auf eine Vorrichtung zur Aufbereitung von Flüssigkeiten zwecks Sterilisation und Elimination von darin enthaltenen Schadstoffen, aufweisend mindestens einen Ultraschall-Erzeuger und ein den Erzeuger umgebendes Gehäuse.The object of the invention is the preparation and treatment of liquids under dynamic conditions for the purpose of sterilization and elimination of organic pollutants contained therein, wherein the liquid is subjected to the effect of a controlled degassing and ultrasonic waves. Furthermore, the invention relates to a device for the treatment of liquids for the purpose of sterilization and elimination of pollutants contained therein, comprising at least one ultrasonic generator and a housing surrounding the generator.
Zur Lösung dieser Aufgabe dienen vorrangig folgende Merkmale:The following features serve to solve this problem:
1. Abtötung oder Inaktivieren von lebenden Mikroorganismen, Viren und1. killing or inactivating living microorganisms, viruses and
Pilzen in FlüssigkeitenMushrooms in liquids
2. Elimination von Pyrogenen (Endotoxine und Exotoxine) in2. Elimination of pyrogens (endotoxins and exotoxins) in
Flüssigkeitenliquids
3. Elimination von Pestiziden, Herbiziden und Fungiziden in3. Elimination of pesticides, herbicides and fungicides in
Flüssigkeitenliquids
Um dieses Ziel zu erreichen, wird eine Vorrichtung benötigt, in der die folgenden Verfahrensabläufe stattfinden:To achieve this goal, a device is needed in which the following procedures take place:
Eine Radikal-Erzeugung und der damit verbundene hohe Wirkungsgrad entsteht durch die Kombination der gewählten Ultraschall - Wellenlängen und deren Leistung und durch kontrollierte Entgasung der Flüssigkeiten.A radical generation and the associated high efficiency is created by the combination of the selected ultrasonic wavelengths and their performance and by controlled degassing of the liquids.
Die Vorrichtung nach der Erfindung kann im Wesentlichen aus einen oder mehreren Hohlkörpern bestehen, durch den oder durch die die zu behandelnde Flüssigkeit hindurchgeleitet wird. Sie kann außerhalb eines Gerätes angeordnet oder auch in ein Gerät eingebracht werden oder aber auch integraler Bestandteil eines Gerätes sein. Wesentlich für die Vorrichtung der Erfindung ist, dass sich in dem Hohlkörper mindestens ein Ultraschallgeber befindet mit einer Leistung > 1 Watt/cm2, wobei der oder die Ultraschallgeber mindestens eine Wellenlänge aus dem Spektrum > 18 KHz emittieren.The device according to the invention may consist essentially of one or more hollow bodies, through which or through which the liquid to be treated is passed. It can be arranged outside a device or introduced into a device or else be an integral part of a device. Essential for the device of the invention is that in the hollow body at least one ultrasound generator is located with a power> 1 watt / cm 2 , wherein the or the ultrasound emit at least one wavelength from the spectrum> 18 KHz.
Wesentlich ist ebenfalls eine Entgasung der in den Hohlkörper einfließenden Flüssigkeit um den oder die Ultraschallgeber. Diese Entgasung wird vorzugsweise beim Einströmen der Flüssigkeit in den oder die Hohlkörper erzeugt. It is also important to degas the liquid flowing into the hollow body around the ultrasonic transmitter (s). This degassing is preferably generated when the liquid flows into the hollow body or bodies.

Claims

Patentansprüche claims
1. Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Aufbereitung von Flüssigkeiten zwecks Sterilisation und Elimination von darin enthaltenen Schadstoffen, wobei die Flüssigkeit der Wirkung einer kontrollierten Entgasung (3) und Ultraschall (2, 2\ 2") ausgesetzt wird. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Entgasung der in den Hohlkörper (1) einfließenden Flüssigkeit (Zufluss 4) eine Erhöhung der Dampfkavitation durch Ultraschall bewirkt, so dass wesentlich mehr OH-Radikale und H2O2 erzeugt werden.1. The invention relates to a process for the treatment of liquids for the purpose of sterilization and elimination of pollutants contained therein, wherein the liquid is exposed to the effect of a controlled degassing (3) and ultrasound (2, 2 \ 2 ") characterized in that a degassing of the liquid (inflow 4) flowing into the hollow body (1) causes an increase of the steam cavitation by ultrasound, so that substantially more OH radicals and H2O2 are produced.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , aufweisend dass sich in dem Hohlkörper mindestens ein Ultraschallgeber (2, 2\ 2") befindet, wobei der oder die Ultraschallgeber mindestens 1 Wellenlängen aus dem Spektrum > 18 KHz emittiert bzw. emittieren.2. Device according to claim 1, comprising that in the hollow body at least one ultrasonic generator (2, 2 \ 2 ") is located, wherein the or the ultrasound generator emits or emit at least 1 wavelengths from the spectrum> 18 kHz.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 , aufweisend dass sich in dem Hohlkörper eine Ultraschallsonde (2, 2\ 2") zur Herstellung und zur Erzeugung von OH-Radikalen befindet mit einer Leistung von > 1 Watt/cm2 3. Apparatus according to claim 1, comprising that in the hollow body, an ultrasonic probe (2, 2 \ 2 ") for the production and production of OH radicals is with a power of> 1 watt / cm 2
4. Vorrichtung nach Anspruch 1. aufweisend, dass sich in dem Hohlkörper eine Ultraschallsonde (2, 2\ 2") zur Herstellung und zur Erzeugung von H2O2 befindet mit einer Leistung > 1 Watt/cm2 4. Apparatus according to claim 1, comprising, that in the hollow body, an ultrasonic probe (2, 2 \ 2 ") for the production and production of H 2 O 2 is with a power> 1 watt / cm 2
5. Vorrichtung nach Anspruch 1 zur Entgasung (3) der in den Hohlkörper (1) einfließenden Flüssigkeit. Vorrichtung nach Anspruch 5 zur mechanischen Entgasung (3) nach bekannten Verfahren. 5. Apparatus according to claim 1 for degassing (3) in the hollow body (1) inflowing liquid. Apparatus according to claim 5 for mechanical degassing (3) according to known methods.
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