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DE10057347C2 - Vorrichtung zur Dekontaminierung von insbesondere Schwermetallen und/oder Arsen und/oder deren Verbindungen, aus Wasser - Google Patents

Vorrichtung zur Dekontaminierung von insbesondere Schwermetallen und/oder Arsen und/oder deren Verbindungen, aus Wasser

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DE10057347C2
DE10057347C2 DE2000157347 DE10057347A DE10057347C2 DE 10057347 C2 DE10057347 C2 DE 10057347C2 DE 2000157347 DE2000157347 DE 2000157347 DE 10057347 A DE10057347 A DE 10057347A DE 10057347 C2 DE10057347 C2 DE 10057347C2
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Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Dekontaminierung von insbesondere Schwermetallen und/oder Arsen und/oder deren Verbindungen aus Wasser.
Die Beseitigung von insbesondere Schwermetallen und/oder Arsen und/oder deren Verbindungen aus Wasser zur Erzeugung von Trinkwasser ist derzeitig nur in unbefriedigender Weise möglich. Die Belastung des Trinkwassers mit z. B. Arsen liegt insbesondere in Regionen mit entsprechend kontaminiertem Grundwasser meist nahe oder über den zulässigen Werten. Es sind bereits zahlreiche Vorrichtungen zur Reinigung von Wasser bekannt, die jedoch bezüglich der Entfernung von Arsen nicht wirksam sind. Z. B beschreibt DE 33 36 460 A1 ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Reinigung von Wasser mittels Elektrolyse, wobei das zu reinigende Wasser an Elektroden aus 2- oder 3-wertigen Metallen unterschiedlicher Polarität vorbei geführt wird. Vorzugsweise wird als Elektrodenwerkstoff Eisen oder Aluminium verwendet.
Es ist weiterhin eine Einrichtung zur Aufbereitung von Schmutzwasser mittels Elektrolyse bekannt, bei welcher abwechselnd Elektroden aus Stahl und Aluminium miteinander kombiniert werden (DE 43 15 117 A1) oder Eisen- und/oder Aluminiumelektroden Anwendung finden (DE 43 29 272 C1). Die Verwendung von Aluminiumelektroden hat jedoch einen hohen pH-Wert zur Folge, welcher sich insbesondere negativ bei der Entfernung von Arsen auswirkt.
Günstiger in dieser Hinsicht ist der pH-Wert bei den in DE 694 16 698 T2, WO 99/11577 A1, DE-OS 22 01 070 und JP 7- 256272 A offenbarten Lösungen, bei denen Kohlendioxid zum Einsatz kommt. Das CO2 wird dabei durch die Verwendung von Graphitelektroden erzeugt oder während der Elektrolyse von außen zugeführt. Allerdings ist die Zusammensetzung der verwendeten Elektroden zur Erzielung eines niedrigen pH- Wertes und damit eines hohen Abbaus an Arsen nicht optimal. Äußerst nachteilig bei allen Vorrichtungen des Standes der Technik ist die feste, unbewegliche Anordnung der Elektroden. Dadurch wird ihre Handhabung insbesondere bei der Wartung und Reinigung der Vorrichtung erschwert.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Dekontaminierung insbesondere Schwermetallen und/oder Arsen und/oder deren Verbindungen aus Wasser durch Elektrolyse zu entwickeln, welche ohne die Umwelt zu belasten einen hohen Abbau von Arsen bei einem guten Wirkungsgrad gewährleistet und bei einfachem technischen Aufbau eine schnelle und ohne großen Aufwand zu verwirklichende Wartung der Elektroden ermöglicht.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des 1. Patentanspruchs gelöst.
Die Vorrichtung zur Dekontaminierung von insbesondere Schwermetallen und/oder Arsen und/oder deren Verbindungen aus Wasser durch Elektrolyse weist einen Behälter auf, in dem Elektroden unterschiedlicher Polarität angeordnet sind, wobei eine Kombination von Elektroden
  • - aus Eisen, Aluminium und Graphit
oder
  • - aus Aluminium und Graphit
Anwendung findet.
Die Elektroden sind in Richtung zum Behälterboden mit ihrer Unterseite in voneinander beabstandeten nutenförmigen elektrisch isolierten Ausnehmungen aufgenommen und an ihrer gegenüberliegenden Seite durch einzelne elektrisch isolierende Abstandhalter voneinander beabstandet, wobei die Abstandhalter an den Elektroden befestigt und die Elektroden in den nutenförmigen Ausnehmungen auseinanderklappbar gelagert sind.
Bevorzugt werden die Elektroden dabei in einem Rahmen aufgenommen, der in Richtung zum Behälterboden die nutenförmigen Ausnehmungen aufweist. Die Elektroden sind zur senkrechten Behälterwand in einem Winkel geneigt und liegen an einem Anschlag des Rahmens an.
Die Abstandhalter werden an den Elektroden vorzugsweise lösbar befestigt. Sie werden dazu entweder klammerförmig oder noppenförmig ausgebildet.
Die Abstandhalter sind vorzugsweise über ein Seil oder eine Kette miteinander verbunden. Sie können weiterhin Vorsprünge aufweisen, die in entsprechende Ausnehmungen der Elektroden eingreifen.
In einem Behälter können je nach dessen Größe ein oder mehrere Rahmen mit plattenförmigen Elektroden angeordnet sein. Sie werden dabei in Strömungsrichtung ausgerichtet oder zur Strömungsrichtung in einem definierten Winkel schräggestellt.
Das Verhältnis der Anzahl von Aluminiumelektroden : Eisenelektroden : Graphitelektroden beträgt 60-96 : 2-30 : 2-30 bzw. das Verhältnis von Aluminiumelektroden : Graphitelektroden 60-98 : 2-40.
Mit der erfindungsgemäßen Lösung wird eine konstruktiv relativ einfache Vorrichtung zur Dekontaminierung von insbesondere Schwermetallen und/oder Arsen und/oder deren Verbindungen aus Trinkwasser geschaffen. Dabei wird es durch die Verwendung von Graphitelektroden und insbesondere durch die Verwirklichung eines bestimmten Verhältnisses der verwendeten Elektroden möglich, den pH-Wert des zu reinigenden Wasser auf ein Niveau zu bringen, welches die Ausoxidation der toxischen Stoffe begünstigt. Die Anzahl der verschiedenen Elektroden (Eisen, Aluminium, Graphit) kann leicht durch entsprechende Versuche ermittelt werden. In bestimmten Fällen ist es auch möglich, auf Elektroden aus Eisen zu verzichten.
Durch die Anbringung der Elektroden mittels nutenförmigen Ausbildungen an der unteren Seite des Bodens und einzelnen Abstandshaltern an der Oberseite der Elektroden können diese einzeln aufgeklappt und gegeneinander bewegt werden. Die plattenförmigen Elektroden werden einfach in die Ausnehmungen des Rahmens eingesetzt und an der gegenüberliegenden Seite durch Abstandhalter voneinander beabstandet. Die Abstandhalter sind dabei z. B. klammerförmig (U-förmig) ausgebildet und werden einfach über den oberen Rand der Elektrode gesteckt. Vorzugsweise werden an einer Platte zwei Abstandhalter (rechts und links) angebracht. Es ist auch möglich, die Abstandhalter nur an jeder zweiten Platte vorzusehen.
Die erste Platte, die eingesetzt wird, kann dabei leicht schräg an einen Anschlag des Rahmens angelegt werden, wodurch sich eine aufwendige Lagefixierung erübrigt. Die besondere Gestaltung der Vorrichtung gewährleistet eine leichte Handhabung und Montage sowie eine mit wenig Aufwand durchführbare Wartung.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und zugehörigen Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 Rahmen zum Einlegen der Elektroden,
Fig. 2 Elektroden mit Abstandhaltern in Seitenansicht,
Fig. 2a Klammer,
Fig. 2b Elektroden gem. Fig. 2 in Seitenansicht,
Fig. 3 auseinandergeklappte Elektroden,
Fig. 4 Kombination von Elektroden aus unterschiedlichen Materialien,
Fig. 5 Draufsicht auf einen Behälter mit 4 Rahmen,
Fig. 6 Schnitt A-A durch den Behälter.
In Fig. 1 ist ein Rahmen 1 mit vier vertikalen Streben 1.1 dargestellt. In Richtung zum Boden sind zwischen den vertikalen ersten Streben 1.1 zwei kürzere horizontale zweite Streben 1.2 und zwei längere horizontale dritte Streben 1.3 angeordnet. In den längeren horizontalen dritten Streben 1.3 befinden sich nutenförmige Aussparungen N, so daß diese Streben 1.3 kammartig ausgebildet sind. Über den horizontalen zweiten Streben sind sich gegenüberliegende horizontale vierte Streben 1.4 fluchtend am oberen Ende der ersten Streben 1.1 angeordnet. Rechtwinklig dazu verlaufen zwei weitere horizontale fünfte Streben 1.5. an der hier rechts dargestellten vierten Strebe sind zwei Anschläge 2. vorgesehen. Es ist gestrichelt angedeutet, daß in die Nuten N eine plattenartige Elektrode 3 gelagert ist. Die Elektrode 3 liegt dabei im Winkel α an den Anschlägen 2 an. Es ist jedoch auch möglich, daß eine vierte Strebe 1.4 des Rahmens 1 direkt als Anschlag 2 für die erste Elektrode 3 dient. Weiterhin können im Bodenbereich mehrere zueinander parallele Streben 1.3 mit zueinander fluchtenden Nuten N angeordnet sein, um eine stabilere Lagepositionierung der Elektroden 3 zu gewährleisten. Alternativ kann auch eine Bodenplatte (nicht dargestellt) mit Nuten N eingesetzt werden.
Die Elektroden 3 sitzen somit an ihrer unteren Kante 3.1 in den Nuten N. Die oberen Kanten 3.2 werden gem. Fig. 2 und 2b durch Abstandhalter 4 (s. Fig. 2a) in der Art von Klammern voneinander beabstandet. In Fig. 2 ist dabei die Seitenansicht und in Fig. 2b die Vorderansicht von Elektroden 3 mit Abstandhaltern 4 dargestellt. Die Abstandhalter 4 sind U-förmig ausgebildet, greifen mit ihren beiden parallelen Schenkeln 4.1 über den oberen Rand 3.2 der Elektrode 3 und bestimmen durch die Breite b der parallelen Schenkeln 4.1 den oberen Abstand der Elektroden 3. Um eine zueinander parallele Anordnung der Elektroden zu gewährleisten, muß die Breite L1 der Schenkel 4.1 der Abstandhalter 4 dem Abstand L2 der Nuten N in etwa entsprechen. Es genügt dabei, wenn nur an jeder zweiten Elektrode Abstandhalter 4 angeordnet sind. Um keinen Kurzschluß zu verursachen, bestehen die Abstandhalter 4 aus einem elektrisch nicht leitendem Werkstoff, z. B. Kunststoff. Auch der Rahmen sollte aus einem elektrisch nicht leitendem Material ausgebildet oder mit diesem ummantelt sein, z. B. kunststoffummantelt. Die Abstandhalter 4 können untereinander mit einem Seil 5 oder einer Kette verbunden sein. Das Seil 5 wird dabei beispielsweise durch eine Bohrung 4.2 des Abstandhalters 4 geführt.
In Fig. 3 ist schematisch dargestellt, daß durch die flexible Lagerung der Elektroden 3 in den Nuten N diese einfach auseinandergeklappt werden können, um eventuelle Wartungs- oder Reinigungsarbeiten vorzunehmen. Eine Möglichkeit der Kombination von Elektroden aus unterschiedlichen Werkstoffen zeigt Fig. 4. Es werden dabei insgesamt 20 Elektroden in einem Rahmen vorgesehen, wobei in einem ersten Bereich a 16 Elektroden aus Aluminium, in einem Bereich b 2 Elektroden aus Eisen und im Bereich c 2 Elektroden aus Graphit vorgesehen sind. Das Verhältnis der Anzahl von Elektroden aus Aluminium zu Elektroden aus Eisen zu Elektroden aus Graphit beträgt somit 80 : 10 : 10. In diesem Beispiel wurde an jeder Elektrode 3 ein Abstandshalter 4 angebracht. Die Breite L1 der zueinander parallelen Schenkel 4.1 wurde entsprechend angepaßt. Auf ein Seil wurde bei dieser Ausführungsvariante verzichtet.
Die Nuten wurden in Fig. 3 und 4 nicht dargestellt.
Eine Anordnung von insgesamt 4 Rahmen 1 mit Elektroden 3 in einem runden Behälter 6 zeigt Fig. 5 in der Draufsicht und Fig. 6 im Schnitt A-A gem. Fig. 5. Die vier Rahmen 1 sind jeweils um 90° versetzt zueinander angeordnet. Zur Umwälzung des zu reinigenden Wassers W ist in dem Behälter 6 ein Rührer 7 vorgesehen.
Die Zuleitung 8 für das zu reinigende Wasser und eine getrennte Ableitung 9 der Klarphase und eine Ableitung 10 der Schlammphase vorhanden, wobei zwischen der Zuleitung 8 und den Ableitungen 9, 10 die Pumpe 11 angeordnet ist. Von der Pumpe 11 führt eine Wasserzuführung 12 in den Behälter 6. Weiterhin ist eine Absaugung 13 zum Abpumpen der Klarphase und eine Absaugung 14 zum Abpumpen der Schlammphase vorhanden, die ebenfalls mit der Pumpe 11 verbunden sind. Hinter der Pumpe 11 ist zusätzlich ein Absperrventil 16 vorgesehen.
Die Ventile sind wie folgt angeordnet:
  • - in der Zuleitung 8 vor den Absaugungen 13 und 14 der Pumpe ein Ventil V1,
  • - zwischen der Absaugung 13 der Klarphase und der Pumpe 11 ein Ventil V2,
  • - zwischen der Absaugung 14 der Schlammphase und der Pumpe 11 ein Ventil V3,
  • - zwischen der Pumpe 11 und der Wasserzuführung 12 zum Behälter 6 ein Ventil V4,
  • - in der Ableitung 9 der Klarphase ein Ventil V5
und
  • - in der Ableitung 10 der Schlammphase ein Ventil V6.
Zum Befüllen des Behälters 6 mit dem zu reinigenden Wasser W sind die Ventile V1 und V4 geöffnet und die Ventile V2, V3, V5, V6 geschlossen. Das Wasser W strömt somit durch die Zuleitung 8 über die Pumpe 11 und die Wasserzuführung 12 in den Behälter.
Nach dem Reinigungsvorgang erfolgt, unter Beibehaltung des Stromflusses in den Elektroden 3 und dadurch einer sich bildenden Flockenschicht 17 auf dem Wasser W, das Abpumpen der Klarphase des Wassers aus dem Behälter, bis die Flockenschicht einen bestimmten Tiefstand erreicht hat. Dazu sind die Ventile V2 und V5 geöffnet und die Ventile V1, V3, V4, V6 geschlossen wodurch das Wasser über die Absaugung 13 und die Pumpe 11 zur Ableitung 9 für die Klarphase geführt wird.
Nun erfolgt zum Abpumpen der Schlammphase aus dem Bodenbereich des Behälters das Öffnen der Ventile V3 und V6, wobei die Ventile V1, V2, V4, V5 geschlossen sind. Durch die in die Mitte des Bodens des Behälters 6 reichende Absaugung 14 wird der Flockenschlamm über die Pumpe 11 zur Ableitung 10 für den Flockenschlamm geführt.
In Fig. 6 ist das Höhenniveau für die Wasserzuführung 12, für die Absaugung 13 der Klarphase und für die Absaugung 14 der Schlammphase dargestellt.
Alternativ ist es auch möglich, bei auf den Bodenbereich des Behälters 6 abgesunkenen Flocken zuerst diesen Flockenschlamm mit der Absaugung 14 abzusaugen und zur Ableitung 10 zu fördern und anschließend die Klarphase mit der gleichen Absaugung 14 zur Ableitung 9 für die Klarphase zu fördern. Die Ventilsteuerung ist dabei entsprechend anzupassen. Es können auch für die Absaugung der Schlamm- und Klarphase unterschiedliche Absaugungen verwendet werden.
Anstelle eines Rundbehälters sind auch andere Behälterformen, z. B. längliche Becken in der Art eines Schwimmbeckens, einsetzbar.
Die Anschlüsse der Elektroden wurden in den vorgenannten Ausführungsbeispielen und Zeichnungen nicht angegeben. Üblicher Weise sind diese abwechselnd an einen Plus- und Minuspol angeschlossen.
Das zu reinigende Wasser W durchströmt durch die Umwälzbewegung des Rührers 7 die Elektroden 3 unterschiedlicher Polarität für eine definierte Zeitdauer (2 bis 120 Minuten) bei 2 bis 24 V und 100 bis 10000 A, wobei durch die stattfindende Elektrolyse die Schwermetalle und/oder das Arsen und/oder deren Verbindungen ausoxidiert werden. Die Ausflockungen steigen an die Oberfläche und werden anschließend getrennt. Zum Entfernen von Arsen aus Wasser (insbesondere Trinkwasser) ist dabei ein pH-Wert von 5,5 vorteilhaft.
Durch die Verwendung von Elektroden 3 aus Graphit im Bereich c wird CO2 erzeugt, welches die Absenkung des pH- Wertes bewirkt. Alternativ wäre es auch möglich, das CO2 von außen dem Wasser W zuzuleiten.
Die Ausflockungen steigen während des Reinigungsprozesses an die Wasseroberfläche und setzen sich dort in der Art einer Flockenschicht 17 ab (Fig. 6). In diesem Zustand wird, wie bereits vorgenannt beschrieben, unter Beibehaltung der Elektrolyse zuerst die Klarphase bis zu einem vorgewählten Wasserstand abgepumpt und anschließend die verbleibende sich am Behälterboden befindende Schlammphase abgesaugt. Die Klarphase wird mittels eines Sandfilters vollständig gereinigt und bei der Schlammphase wird das Wasser von den Flocken in einer Kammerfilterpresse getrennt.
Es können jedoch auch Siebbandpressen oder automatische Schnellfilter eingesetzt werden.

Claims (12)

1. Vorrichtung zur Dekontaminierung von insbesondere Schwermetallen und/oder Arsen und/oder deren Verbindungen aus Wasser durch Elektrolyse mit einem Behälter, in dem Elektroden unterschiedlicher Polarität angeordnet sind,
wobei eine Kombination von Elektroden
aus Eisen, Aluminium und Graphit
oder
aus Aluminium und Graphit
Anwendung findet,
und die Elektroden in Richtung zum Behälterboden mit ihrer Unterseite in voneinander beabstandeten nutenförmigen elektrisch isolierten Ausnehmungen aufgenommen und an ihrer gegenüberliegenden Seite durch einzelne elektrisch isolierende Abstandhalter voneinander beabstandet sind, wobei die Abstandhalter an den Elektroden befestigt und die Elektroden in den nutenförmigen Ausnehmungen auseinanderklappbar gelagert sind.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden in einem Rahmen aufgenommen werden.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Rahmen in Richtung zum Behälterboden die nutenförmigen Ausnehmungen aufweist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden in einem Winkel geneigt sind und an einem Anschlag des Rahmens anliegen.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstandhalter lösbar an den Elektroden befestigt sind.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstandhalter klammerförmig ausgebildet sind.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstandhalter noppenförmig ausgebildet sind.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstandhalter Vorsprünge aufweisen, die in entsprechende Ausnehmungen der Elektroden eingreifen.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstandhalter durch ein Seil oder eine Kette miteinander verbunden sind.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Rahmen in einem Behälter angeordnet sind.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der Anzahl von Elektroden aus Aluminium : Elektroden aus Eisen : Elektroden aus Graphit 60-96 : 2-30 : 2-30 beträgt.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis von Elektroden aus Aluminium : Elektroden aus Graphit 60-98 : 2-40 beträgt.
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