DE10316921A1

DE10316921A1 - Verfahren und Einrichtung zur katalytischen Wasserbehandlung

Info

Publication number: DE10316921A1
Application number: DE10316921A
Authority: DE
Inventors: Jürgen Körner; Hartmut Dr. Lausch; Jürgen Dr. Koppe
Original assignee: Mol Katalysatortechnik GmbH
Current assignee: Mol Katalysatortechnik GmbH
Priority date: 2003-04-12
Filing date: 2003-04-12
Publication date: 2004-11-04
Anticipated expiration: 2023-04-13
Also published as: DE10316921B4

Abstract

Verfahren zur Vermeidung biologischer Verblockungen von Filtern und/oder Membranen bei der katalytischen Wasserbehandlung, indem das zu behandelnde Wasser zunächst mindestens ein Vorfilter bzw. mindestens eine -membran mit geringem Druckabfall durchströmt, ehe es mindestens einem Katalysatorelement zugeführt wird und anschließend mindestens ein Hauptfilter bzw. mindestens eine -membran mit einem hohen Druckabfall durchströmt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Vermeidung biologischer Verblockungen von Filtern und/oder Membranen bei der katalytischen Wasserbehandlung.

Der EP-A 1 172 335 ist ein Verfahren zur Reinigung von Kerzenfiltern und Membrananlagen bei der industriellen Wasseraufbereitung unter Verwendung von Wasserstoffperoxid zu entnehmen, wobei man einen festen Katalysator unmittelbar vor einem Filter oder einem Membranelement anordnet sowie Wasserstoffperoxid dem aufzubereitenden Wasserstrom vor dem Katalysator und/oder dem Membranelement zusetzt.

Bei der industriellen Wasseraufbereitung mittels Membrananlagen wird die Standzeit dieser einerseits durch Schmutzpartikel (Schwebestoffe), die im zu behandelnden Wasser mitgeführt werden, und andererseits vor allem durch die Bildung von Biobelag nachhaltig beeinflusst. Durch diese Schmutzpartikel und Biofilme verblockt die Oberfläche der Membran, was häufige Rückspülzyklen zur Folge hat. Letztendlich wird hierdurch die Lebensdauer dieser Elemente deutlich beeinträchtigt.

Der Einfluss von Schmutzpartikeln auf die Membranstandzeit wird im allgemeinen durch die Vorschaltung eines Filters minimiert, wobei das Problem der Verblockung durch Biobeläge sowohl der Membran als auch des Filters unverändert bleibt.

Beim Stand der Technik soll der Katalysator unmittelbar vor einem Membranelement platziert werden, was jedoch problematisch ist, da bei direktem Kontakt von Membran und Katalysator erstere in Gegenwart von Wasserstoffperoxid oxidativ geschädigt werden kann. Wird der Katalysator unmittelbar am Filterelement platziert, so wird bei Zugabe von Wasserstoffperoxid der Aufbau von Biofilmen an der Membran zunächst verhindert. Allerdings können im zu behandelnden Wasser befindliche Schwebstoffe nach und nach die Oberfläche des Katalysators so belegen, dass dessen katalytische Wirksamkeit deutlich vermindert wird. Nunmehr können sich wieder Biobewüchse ausbilden, sowohl auf der Membran als auch dem Filter.

Damit würde sich die Betriebsweise derartiger Anlagen wieder den Zuständen annähern, die ohne Installation eines Katalysators anzutreffen sind.

Ziel des Erfindungsgegenstandes ist es, hier Abhilfe zu schaffen und ein Verfahren sowie eine Einrichtung zur katalytischen Wasserbehandlung bereitzustellen, das bzw. die einfach im Aufbau ist und eine hohe Lebensdauer der einzusetzenden Bauteile mit sich bringt.

Dieses Ziel wird erreicht durch ein Verfahren zur Vermeidung biologischer Verblockungen von Filtern und/oder Membranen bei der katalytischen Wasserbehandlung, indem das zu behandelnde Wasser zunächst mindestens ein Vorfilter bzw. mindestens eine Membran mit geringem Druckabfall durchströmt, ehe es mindestens einem Katalysatorelement zugeführt wird und anschließend mindestens ein Hauptfilter bzw. mindestens eine Membran mit einem hohem Druckabfall durchströmt.

Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind den zugehörigen Unteransprüchen zu entnehmen.

Dieses Ziel wird auch erreicht durch eine Einrichtung zur Vermeidung biologischer Verblockungen von Filtern und/oder Membranen bei der katalytischen Wasserbehandlung, bestehend aus als Vorfilter bzw. -membranen einsetzbare Filterelemente bzw. Membranen, Katalysatorelementen sowie weiteren als Hauptfilter einsetzbaren Filterelementen bzw. Membranen, wobei die Katalysatorelemente zwischen dem/den Vorfilter(n) bzw. -membran(en) und dem/den Hauptfilter(n) bzw. -membran(en) angeordnet sind.

Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Einrichtung sind den zugehörigen gegenständlichen Unteransprüchen zu entnehmen.

Anstelle des Hauptfilters oder diesen ergänzend, kann auch eine Umkehrosmoseanlage vorgesehen werden.

Der Unterschied im Druckabfall zwischen Vorfilter bzw. -membran und Hauptfilter bzw. -membran soll hierbei mindestens 20 % betragen. Dem zu behandelnden Wasser werden vorteilhafterweise Gehalte von < 500 ppm, insbesondere < 50 ppm Wasserstoffperoxid zugesetzt.

Die Anordnung des/der Katalysatorelemente(s), im folgenden Katalysator genannt, erfolgt hierbei dergestalt, dass dessen/deren Oberfläche(n) vor Trübstoffen (biologische Verblockung) weitestgehend geschützt ist. Dies ist realisierbar, wenn der Katalysator zwischen Filterelementen, bestehend aus mindestens einem gröberen Vorfilter und mindestens einem feineren Hauptfilter, angeordnet wird. Auf den ersten Blick scheint auf diese Weise zwar die Belegung des Katalysators mit Schmutzpartikeln vermeidbar zu sein, andererseits jedoch die Gefahr zu bestehen, dass nunmehr das Vorfilter in der erfindungsgemäßen Anordnung nicht mehr hinreichend vor Biobewuchs geschützt wird. Überraschenderweise wurde jedoch herausgefunden, dass dann, wenn der Filterwiderstand des Vorfilters wesentlich geringer ist als derjenige des Hauptfilters auch das Vorfilter vor Biobewuchs geschützt wird.

Diese Tatsache ist darin begründet, dass ein Katalysator zum Einsatz kommt, welcher bei Zugabe von geringen Mengen an Peroxiden, insbesondere Wasserstoffperoxid, und dem Vorhandensein von Mikrobiologie, im zu behandelnden Wasser in der Lage ist, aus diesen Mikroorganismen (d.h. freien Keimen) Biotenside zu bilden.

Diese Biotenside werden aufgrund der unterschiedlichen Filterwiderstände, des daraus resultierenden Staudruckes und der sich daraus ergebenden Turbulenzen so verteilt, dass ein ausreichender Teil an Biotensiden vor das Vorfilter gelangt und dort biofilmablösend wirken kann. Ein weiterer Teil der Biotenside hält das Hauptfilter frei und sorgt auch in nachgeschalteten Anlagen, wie beispielsweise der Membran einer Umkehrosmoseanlage, dafür, dass Biobewuchs nachhaltig verhindert werden kann.

Ist durch entsprechende Reinheit des Wasser ein Filter vor einer Membrananlage entbehrlich, läßt sich eine solche Anordnung sinngemäß auch für Membranen anwenden, indem vor der Hauptmembran der Katalysator und davor eine (Vor) Membran mit geringerem Druckabfall bzw. größeren Poren angeordnet wird.

Die Vor- und/oder Hauptfilter können aus unterschiedlichsten Materialien bestehen. Denkbar sind Materialien, wie Keramik, Kies, Textil, Aktivkohle, Glas, Cellulosederivate bzw. polymere Werkstoffe. Selbige können auch in Kombination eingesetzt werden.

Gegenüber dem Stand der Technik werden folgende Vorteile erreicht:

– Längere Zyklen zwischen der Regenerierung, damit verbundene Verlängerung der Lebensdauer des Katalysators, aber auch der Filterelemente bzw. Membranen, die allein oder in Kombination mit weiteren Membranelementen eingesetzt werden können.
– Hohe Wirksamkeit des katalytischen Verfahrens bewirkt Verringerung des Wartungsaufwandes sowie eine Erhöhung der Kapazität bzw. Verfügbarkeit der Wasseraufbereitungsanlagen.

Anhand eines Ausführungsbeispieles ist der Erfindungsgegenstand dargestellt und wird wie folgt beschrieben.

Die Prinzipskizze zeigt eine industrielle Wasseraufbereitungsanlage, in diesem Beispiel gebildet durch ein als Feinfilter ausgebildetes Hauptfilter 1, beispielsweise in Form einer Filterkerze, ein Vollmetallkatalysatorelement 2, in diesem Beispiel bestehend aus einer oberflächemodifizierten Eisen-Basislegierung, sowie ein grober Vorfilter 3, in diesem Beispiel bestehend aus Keramik. Alternative Katalysatorelemente sind beispielsweise in der DE-196 10 345 oder der DE-C 196 13 273 beschrieben. Der Druckabfall zwischen Vorfilter 3 und Hauptfilter 1 beträgt in diesem Beispiel 35 %. Das Vorfilter 3 besteht in diesem Beispiel aus Keramik und das Hauptfilter aus Aktivkohle.

Dem zu behandelnden ungereinigten Wasser wird in diesem Beispiel vor dem Vorfilter 3 geringe Mengen an Wasserstoffperoxid, in diesem Beispiel 50 ppm, als Aktivierungsmittel für das Katalysatorelement 2 zugesetzt. Mit dem Bezugszeichen 4 sind im Wasser befindliche Schmutzpartikel angesprochen. Das Bezugszeichen 5 definiert Biotenside, die gebildet werden indem ein Katalysatorelement 2 zum Einsatz kommt, welches bei Zugabe von geringen Mengen Wasserstoffperoxid und bei Vorhandensein von Mikrobiologie (Schmutzstoffe 4) im zu behandelnden Wasser in der Lage ist, aus diesen Mikroorganismen, d.h. freien Keimen, derartige Biotenside 5 zu bilden.

Das Bezugszeichen 6 bzw. 6' zeigt die Verteilung der Biotenside 5, zum einen vor dem Katalysatorelement 2 und zum anderen danach. Diese Biotenside 5 werden aufgrund der unterschiedlichen Filterwiderstände von Vor- 3 und Hauptfilter 1 sowie des daraus resultierenden Staudruckes und der sich daraus ergebenden Turbulenzen so verteilt, dass ein ausreichender Teil der Biotenside 5 vor das Vorfilter 3 gelangt und dort biofilmablösend wirkt. Der andere Teil der Biotenside 5 hält das Hauptfilter 1 von Biobewuchs frei. Biologische Verblockungen der Filter 1,3 treten somit dauerhaft nicht mehr auf.

Vergleichsbeispiel 1:
Vor einer Reversosmose-Anlage mit einer Kapazität von 1000 l/h wurde eine 20''-Filterkerze (Porengröße 0,45 μm) positioniert.
Vergleichsbeispiel 2:
In der gleichen Reversosmose-Anlage wurde die Filterkerze mit einer Lage eines Vollmetallkatalysatorgestricks gemäß DE 196 10 345 umwickelt.
Beispiel (erfindungsgemäß):
Zusätzlich zum Vergleichsbeispiel 2 wurde der Katalysator mit einem Glasfaservorfilter (Porengröße 1,2 μm) umwickelt.
Es ergaben sich folgende Standzeiten und Permeatmengen, bevor eine Rückspülung der Filter und Membranen notwendig wurde:

Claims

Verfahren zur Vermeidung biologischer Verblockungen von Filtern und/oder Membranen bei der katalytischen Wasserbehandlung, indem das zu behandelnde Wasser zunächst mindestens ein Vorfilter (3) bzw. mindestens eine -membran mit geringem Druckabfall durchströmt, ehe es mindestens einem Katalysatorelement (2) zugeführt wird und anschließend mindestens ein Hauptfilter bzw. mindestens eine -membran (1) mit einem hohen Druckabfall durchströmt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dem zu behandelnden Wasser als Aktivierungsmittel für das Katalysatorelement (2) vor der Durchströmung des Vorfilters (3) bzw. der -membran geringe Mengen an Peroxiden, insbesondere Wasserstoffperoxid, in Gehalten bis zu 500 ppm, insbesondere 1 bis 50 ppm, zugesetzt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dem zu behandelnden Wasser als Aktivierungsmittel für das Katalysatorelemtent (2) nach dem Durchströmen des Vorfilters (3) bzw. der -membran geringe Mengen an Peroxiden, insbesondere Wasserstoffperoxid, in Gehalten bis zu 500 ppm, insbesondere 1 bis 50 ppm, zugesetzt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dem zu behandelnden Wasser als Aktivierungsmittel für das Katalysatorelemtent (2) im Verlauf der Durchströmung des Vorfilters (3) bzw. der -membran geringe Mengen an Peroxiden, insbesondere Wasserstoffperoxid, in Gehalten bis zu 500 ppm, insbesondere 1 bis 50 ppm, zugesetzt werden.
Einrichtung zur Vermeidung biologischer Verblockungen von Filtern und/oder Membranen bei der katalytischen Wasserbehandlung, bestehend aus als Vorfilter (2) einsetzbaren Filterelementen bzw. -membranen, Katalysatorelementen (2) sowie weiteren als Hauptfilter (1) einsetzbaren Filterelementen bzw. -membranen, wobei die Katalysatorelemente (2) zwischen dem/den Vorfilter(n) (3) bzw. der/den -membran(en) und dem/den Hauptfilter(n) (1) bzw. der/den -membran(en) angeordnet sind.
Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das/die Filter (1,3) aus Keramik und/oder Glas und/oder Polymerwerkstoffen, Aktivkohle und dergleichen besteht bzw. bestehen.
Einrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Katalysatorelement (2) ein Vollmetallkatalysator ist.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Katalysatorelement (2) in Draht- und/oder Spanform und/oder als Pulver vorliegt.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Katalysatorelement (2) im wesentlichen aus Nickel und Kupfer bzw. Eisen, Nickel und Chrom in Form einer oberflächenmodifizierten Legierung gebildet ist.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Katalysatorelement (2) im wesentlichen aus Kobaii, Nickel, Wolfram und Chrom sowie gegebenenfalls Kupfer, Eisen und Mangan in Form einer oberflächenmodifizierten Legierung gebildet ist.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das/die Hauptfilter (1) aus Keramik, Glas, Polymerwerkstoffen, Aktivkohle oder dergleichen besteht bzw. bestehen.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Hauptfilter (1) parallel oder in Reihe geschaltet sind.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 12, gekennzeichnet durch eine Integration von Vorfilter(n) (3), Katalysatorelement(en) (2) und Hauptfilter(n) (1) innerhalb eines Gesamtfilterelementes, insbesondere einer Filterkerze.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des Gesamtfilterelementes, insbesondere der Filterkerze, der/die Vorfilter (3) durch eine Außenschicht, das/die Hauptfilter (1) durch eine Innenschicht gebildet ist, und dass das/die Katalysatorelement(e) (2) zwischen den beiden Schichten angeordnet ist bzw. sind.