DE102008046973A1

DE102008046973A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Beseitigung von Verunreinigungen aus Wasser

Info

Publication number: DE102008046973A1
Application number: DE200810046973
Authority: DE
Inventors: Werner Dr. Hartmann
Original assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Current assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Priority date: 2008-09-12
Filing date: 2008-09-12
Publication date: 2010-03-18
Also published as: WO2010029034A3; WO2010029034A2

Abstract

Es ist bekannt, Verunreinigungen aus Wasser durch Anlagern der Verunreinigungen an Feststoffen zu beseitigen. Gemäß der Erfindung wird ein fein gemahlener Inertstoff verwendet und wird der Inertstoff an seinen Oberflächen funktionalisiert, und zwar derart, dass die funktionalisierten Oberflächen so mit dem zu reinigenden Wasser in Verbindung gebracht werden, dass die Verunreinigungen an die funktionalisierten Oberflächen gebunden werden. Der Inertstoff kann dann anschließend mit einschließlich der an den Oberflächen gebundenen Verunreinigungen durch physikalisches Trennverfahren vom gereinigten Wasser getrennt werden.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Beseitigung von Verunreinigungen aus Wasser durch Anlagern der Verunreinigungen an Feststoffe. Daneben bezieht sich die Erfindung auch auf eine zugehörige Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Die globale Bedeutung von sauberem Wasser, insbesondere von Trinkwasser, wächst. Oftmals liegen im Trinkwasser, in Industriewasser, aber auch in Abwässern gelöste organische und anorganische Verunreinigungen, wie z. B. Sulfate, Arsen-, Selenverbindungen, Phosphate härtebildender, organischer Lösungsmittel, Pharmazeutika, z. B. Antibiotika, Schmerz- und Entzündungsmittel oder andere störende Beimengungen vor, welche vor dem Gebrauch des Wassers bzw. auch vor der Entsorgung von Abwässern entfernt werden müssen. Insbesondere liegt aber häufig eine ganz spezifische Verunreinigung vorherrschend vor, die gezielt verringert werden muss, während andere Verunreinigungen weniger kritisch sind. Insbesondere einige spezifische Verunreinigungen, wie z. B. Arsenate, Selenverbindungen, Peroxide oder dergleichen, sind dabei sehr schwer aus einem Wasserstrom zu entfernen.
Bekannte Methoden zur Wasserreinigung beinhalten insbesondere Absorptions- und/oder Adsorptionsverfahren, z. B. mit Aktivkohle, an deren Oberflächen Schadstoffe gebunden werden. Ein solches Verfahren ist meist unspezifisch, so dass der Adsorber häufig durch andere, eher unkritische Stoffe schnell gesättigt wird, und dadurch die Verfahrenskosten hoch sind.
Andere bekannte Methoden sind durchweg membranbasierte Verfahren, z. B. Umkehrosmose und Nano- bzw. Ultrafiltration. Die notwendigen Vorreinigungsverfahren sowie hohe Betriebsdrucke und große Membranoberflächen und weiterhin begrenzte Lebensdauer der Membrane führen ebenfalls zu hohen Verfahrenskosten.
Ebenfalls bekannt sind elektrochemische Methoden nach dem Prinzip der Galvanik, bei denen ionische Verunreinigungsbestandteile, – gegebenenfalls in Verbindung mit geeigneten Membranen –, entfernt werden. Allerdings arbeiten auch diese Methoden nicht sehr selektiv und haben, insbesondere bei Arsenaten und Selenverbindungen, Grenzen.
Weiterhin führen hohe Leitfähigkeiten des Wassers durch entsprechenden Salzgehalt zu einem hohen Energieaufwand und daher zu hohen Verfahrenskosten. Bei Einsatz von entsprechenden Membranen treten zusätzlich die unter letzteren Membranmethoden genannten Nachteile auf.
Davon ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung, ein neues Verfahren zur Beseitigung von Verunreinigungen aus Wasser vorzuschlagen und zugehörige Vorrichtung zu schaffen.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Maßnahmen des Patentanspruches 1 gelöst. Eine zugehörige Vorrichtung ist im Patentanspruch 13 angegeben. Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens und der zugehörigen Vorrichtung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Gegenstand der Erfindung ist eine bestimmte Abfolge einzelner Verfahrensschritte. Dabei wird folgendermaßen vorgegangen:

– Es wird ein feingemahlener Inertstoff mit Partikelgrößen größer 10 μm verwendet,
– der Inertstoff wird an seinen Oberflächen funktionalisiert,
– die funktionalisierten Oberflächen des Inertstoffes werden mit dem zu reinigenden Wasser in Verbindung gebracht, wodurch die Verunreinigungen an die funktionalisierten Oberflächen gebunden werden,
– die Inertstoffe mit den an den Oberflächen gebundenen Verunreinigungen werden durch physikalische Trennverfahren vom gereinigten Wasser getrennt.

Bei der zugehörigen Vorrichtung ist zumindest eine mechanische Trennstufe zur Durchleitung eines verunreinigten Wasserstromes vorhanden, in der der vorbehandelte inerte Stoff mit den funktionalisierten Oberflächen vom gereinigten Wasserstrom abgetrennt wird.
Die Erfindung beruht darauf, dass sich feingemahlene, kostengünstig herzustellende inerte Stoffe, wie z. B. Quarzsand, Kaolin oder dergleichen, gegebenenfalls aber auch Polymere, entweder selbst in geeigneter Weise behandeln lassen oder aber mit geeigneten chemischen Stoffen beschichten lassen, welche sich dann mit einer funktionalen Gruppe selektiv an die Sandpartikel binden. Im Rahmen der Erfindung sind hier beispielsweise kurze Alkylketten mit entsprechend ausgewählter funktionaler Kopfgruppe geeignet. Solche Alkylketten sind aus herkömmlichen Flotationsverfahren im Bergbau bekannt und bestehen typischerweise aus drei bis mehr als zwölf Kohlenstoffatomen (C3 ... C12) in linearer oder auch leicht verzweigter Anordnung, an deren einem Ende die zur Bindung an den Sand erforderliche Kopfgruppe sitzt. Dabei sitzen am anderen Ende der Alkylkette oder an den Zweigenden bei verzweigten Alkylen unmittelbar weitere funktionale Gruppen, welche sich spezifisch an die zu beseitigenden Verunreinigungen im Wasser, z. B. an eine Blei-, Arsen- oder auch Selenverbindung, gezielt anbinden lassen, wodurch diese Verunreinigungen an die funktionalisierten Oberflächen des Inertstoffes gebunden werden.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Patentansprüchen. Dabei wird auf zwei Schemazeichnungen Bezug genommen.
Im Schema gemäß 1 bedeutet 2 ein Wasserstrom, der in einem Kanal 2 geführt ist. An den Kanal 1 schließt sich eine Trennstufe 5 an, in der der Inertstoff 10 mit den funktionalisierten Oberflächen 11 kontinuierlich mit dem zu reinigenden Wasserstrom gemischt wird. Die Trennstufe 5 kann insbesondere als Suspensionsreaktor mit nachfolgenden Hydrozyklon zur Abtrennung der mit den abgetrennten Verunreinigungen beladenen Inertstoffteilchen 10 ausgeführt werden, was zu einer besonders einfachen, wartungsarmen und kostengünstigen Lösung führt. Mit 6 ist ein Abgangskanal für gereinigtes Wasser 7 bezeichnet.
Beim Durchströmen der Trennstufe 5 werden die Verunreinigungen im Wasserstrom 2 mit den funktionalisierten Oberflächen 11 des Inertstoffes 10 in Kontakt gebracht und vom Wasserstrom 2 abgetrennt, so dass durch den Abgangskanal 6 ein gereinigter Wasserstrom 7 strömt.
Für die Füllung der Trennstufe 5 wird von feingemahlenen Inertstoffen ausgegangen. Solche Inertstoffe können beispielsweise Sand oder auch insbesondere Kaolin sein. Auch organische Stoffe sind möglich. Diese Stoffe können in geeigneter Weise fein gemahlen werden, wobei sich Partikelgrößen von 10 μm als geeignet erwiesen haben. Eine solche Partikelgröße erscheint geeignet, um eine hinreichende Oberfläche im Vergleich zum Volumen zu erhalten.
Die Pulverteilchen 10 des Inertstoffes brauchen nur an den Oberflächen 11 funktionalisiert werden. Die funktionalisierten Oberflächen 11 können dann großflächig mit dem zu reinigenden Wasserstrom 2 in Kontakt gebracht werden, wodurch die Verunreinigungen spezifisch an die funktionalisierten Oberflächen 11 gebunden werden, was physikalisch einem Adsorptionsprozess entspricht. Somit werden die Verunreinigungen vom Wasserstrom getrennt und es strömt gereinigtes Wasser 7 aus dem Abgangskanal 6.
Mithilfe des Hydrozyklons können die mit den Verunreinigungen beladenen Inertstoffteilchen kontinuierlich abgeschieden werden, so dass sich eine besonders wirtschaftliche Betriebsweise ergibt.
Die wesentliche Maßnahme bei der vorstehend beschriebenen Vorgehensweise ist also die geeignete Funktionalisierung der Inertstoff-Oberflächen, die insbesondere spezifisch auf bestimmte Verunreinigungen abgestellt werden kann. Beispielsweise kann gezielt auf Schwermetalle wie Uran, mit dem Wasser aus Naturbrunnen häufig belastet ist (s. Bayerischer Rundfunk vom 05.09.2008, http://www.br-online.de/studio-franken/aktuelles-aus-franken/trinkwasser-franken-ura...), abgestellt werden.
In 2 ist dazu ein Inertstoffpartikel 10 gezeigt, dessen Oberfläche 11 von einer Nanoschicht 12 aus einzelnen Funktionsgruppen bedeckt ist, die mit F₁ bezeichnet sind. Solche Funktionsgruppen sind beispielsweise Alkylgruppen 13, die mit einem Kohlenstoffatom an die Partikeloberfläche 11 andocken. Das Ende der Alkylgruppe ist so ausgewählt, dass es eine funktionale Gruppe bildet, beispielsweise
woran spezifisch Uran andocken kann. Somit lassen sich gezielt im Wasser in beliebigen Konzentrationen vorhandene Uran-Ionen binden.
Statt des Aufbringens von definierten Fängergruppen, die Schichten mit jeweils anpassbaren entsprechenden Eigenschaften bilden, kann die Funktionalisierung der Inertstoff-Oberflächen auch dadurch erfolgen, dass die Teilchen des Inertstoffes selbst energetisch behandelt werden.
Sofern die Teilchen zum Funktionalisieren energetisch behandelt werden sollen, bieten sich Plasmaverfahren an. Mit solchen Plasmaverfahren, die insbesondere nichtthermische Plasmen verwenden, werden Radikale erzeugt, die an der Oberfläche des inerten Stoffes funktionale Gruppen erzeugen. Als nichtthermische Plasmen werden dabei vorzugsweise stille Entladun so genannte nichtthermische Plasmajets oder Kombinationen dieser Verfahren verwendet.
Sofern dagegen der Inertstoff beschichtet werden soll, lassen sich speziell organische Stoffe mit funktionalen Eigenschaften selektiv an den Inertstoff binden. Dabei werden beispielsweise kurze Alkylketten mit entsprechend ausgewählter funktionaler Kopfgruppe verwendet. Solche Alkylketten sind an sich von Flotationsverfahren im Bergbau bekannt und bestehen typischerweise aus mehreren linear angeordneten Kohlenstoffatomen. Dafür werden Kettenlängen von C3 bis C12 in linearer oder auch leicht verzweigter Anordnung verwendet, an deren einem Ende die zur Bindung an den Inertstoff erforderliche Kopfgruppe sitzt. Am anderen Ende der Alkylgruppe oder an den Zweigenden bei verzweigten Alkylgruppen sind solche funktionale Gruppen, welche an die zu beseitigende Verunreinigung im Wasser bzw. auch gezielt an spezifisch zu entfernende organische Verunreinigungen bindet, so dass diese Verunreinigungen an die funktionalisierte Oberfläche des Inertstoffes gebunden bleibt.
Wesentlich ist, beim Schema gemäß 1, eine solche Vorrichtung zu schaffen, die in einer entsprechenden Filterstufe den Inertstoff enthält, wobei dafür Sorge getragen werden muss, dass der Inertstoff regelmäßig aufbereitet wird, so dass eine Wiederherstellung der Funktionalisierung erreicht wird. Sofern zum Austausch geeignete Mittel 20 vorhanden sind, kann eine erneute Beimischung des funktionalisierten Inertstoffes in dem verunreinigten Wasserstrom erfolgen.
Aus der Technologie der Wasserbehandlung sind so genannte Hydrozyklone bekannt. Solche Hydrozyklone dienen im Allgemeinen zur Abtrennung von Feststoffen aus Flüssigkeiten.
Hydrozyklone arbeiten nach mechanischem Trennverfahren und beinhalten entsprechende Mittel zum kontinuierlichen Sedimentieren und Abtrennen des Feststoffanteils, wobei der Flüssigkeitsanteil ungehindert abströmen kann. Gegebenenfalls werden zur Ergänzung der Wirkung eines Hydrozyklons Vorrichtungen mit so genannten Absetzapparaten, Filter, Membranfilter und/oder Separatoren sowie deren Kombinationen verwendet. Wesentlich ist dabei, dass vor einem Hydrozyklon der verunreinigte Flüssigkeitsstrom mit dem funktionalisierten Inertstoff vermischt wird und durch eine Trennstufe, beispielsweise einen Suspensionsreaktor, geführt wird, wobei dabei ein Anlagern der Verunreinigung an den Inertstoff erfolgt. Ansonsten wird von üblichen Mitteln des Standes der Technik Gebrauch gemacht. Auch Schwermetalle können so aus einem Wasserstrom entfernt werden.
Letztere Vorrichtung enthält im Wesentlichen eine Trennstufe (Suspensionsreaktor), in die der Inertstoff mit den funktionalisierten Oberflächen eingebracht ist und in der die Verunreinigungen vom Wasserstrom auf die Inertstoffoberfläche übertragen werden, sowie eine kontinuierlich arbeitende physikalische Trennvorrichtung, wie z. B. dem Hydrozyklon, oder vergleichbare Anlagen wie Dekanter und/oder Trocknungseinrichtungen, beispielsweise einen Bandtrockner.
Des Weiteren sind entsprechende Mittel zur Reinigung und Wiederaufbereitung des Inertstoffes und Rückführung in die Trennstufe vorhanden. Die Reinigungsstufe muss i. A. an den zu beseitigenden Stoff angepasst werden. Die Reinigung kann chemisch in einem entsprechenden Reaktor erfolgen, in dem die Bindung der Alkylketten an den Inertstoff zerstört und damit der Inertstoff von den Verunreinigungen befreit wird. Bei geeigneten Verunreinigungen, insbesondere ionischen Metallen o. dgl., kann die Reinigungsstufe auch durch Ionenaustausch oder elektrochemisch erfolgen, da hier die Konzentration hoch, der Massenstrom wegen der Aufkonzentration der Verunreinigung jedoch gering im Vergleich zum ursprünglichen Flüssigkeits-Massenstrom ist. Im Falle organischer Verunreinigungen wie Lösungsmittel etc. oder auch bei biologischen Verunreinigungen kann eine thermische Reinigung des Inertstoffes erfolgen. Zur Wiederaufbereitung des Inertstoffes müssen die entsprechend funktionalisierten Alkylketten erneut dem gerei nigten Inertstoff in einer Mischstufe beigemischt werden, bevor der Inertstoff wieder in die Trennstufe (Suspensionsreaktor) eingemischt werden kann.
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 Nicht-Patentliteratur

- http://www.br-online.de/studio-franken/aktuelles-aus-franken/trinkwasser-franken-ura... [0018]

Claims

Verfahren zur Beseitigung von Verunreinigungen aus Wasser durch Anlagern der Verunreinigungen an Feststoffe, mit folgenden Verfahrensschritten: – Es werden feingemahlene Inertstoffe mit Partikelgrößen größer 10 μm verwendet, – die Inertstoffe werden an den Oberflächen der Partikel funktionalisiert, – die funktionalisierten Oberflächen der Inertstoffpartikel werden mit dem zu reinigenden Wasser in Kontakt gebracht, wodurch die Verunreinigungen an die funktionalisierten Oberflächen gebunden werden, – dadurch werden die Verunreinigungen an die funktionalisierten Oberflächen gebunden und das Wasser von den Verunreinigungen befreit – die Inertstoffe mit den an den Oberflächen gebundenen Verunreinigungen werden durch physikalische Trennverfahren vom gereinigten Wasser getrennt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Inertstoffpartikel mit solchen chemischen Substanzen beschichtet werden, welche eine funktionale Endgruppe selektiv an den Inertstoff binden, wobei am freien Ende der chemischen Substanz eine spezifisch die Verunreinigung bindende Endgruppe sitzt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Inertstoffe Quarzsand, Kaolin o. dgl. sind.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Inertstoffe Polymere sind.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die chemischen Substanzen mit den funktionalisierten Endgruppen Alkylketten sind.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mit dem Verfahren zu bindenden Verunreinigungen im Wasser Blei-, Arsen- und/oder Selenverbindungen sind.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mit dem Verfahren zu bindenden Verunreinigungen im Wasser Kohlenwasserstoffverbindungen sind.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zu bindenden Verunreinigungen im Wasser Schwermetalle wie Blei, Uran und/oder deren Verbindungen sind.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass Uran (U) bzw. Uranoxid (UO_x) aus natürlichem Brunnenwasser abgetrennt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Funktionalisierung der Inertstoffe durch ein Plasmaverfahren erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass Radikale aus den nichtthermischen Plasmen verwendet werden, um funktionale Gruppen an der Oberfläche des Inertstoffes zu erzeugen.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass als Plasmaverfahren elektrische Barriereentladungen, Koronaentladungen oder nichtthermische Plasmajets sowie deren Kombinationen verwendet werden.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder einem der Ansprüche 2 bis 12, mit einer als Suspensionsreaktor ausgeführten Mischkammer und einer mechanischen Trennstufe (5) zur Durchleitung eines verunreinigten Wasserstromes (1), dadurch gekennzeichnet, dass der vorbehandelte Inertstoff (10) mit den funktionalisierten Oberflächen (11) in der Trennstufe (5) vom gereinigten Wasserstrom (6) abgetrennt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennstufe ein Hydrozyklon ist.
Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennstufe (5) eine Dekantiervorrichtung ist.
Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennstufe einen Bandfilter enthält.
Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel (20) zur Reinigung de Inertstoffe, an denen die Verunreinigungen des Wassers gebunden sind, vorhanden sind.
Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Reinigungsmittel (20) mit einem physikalisch-chemischen, elektrochemischen oder thermischen Prozess arbeiten.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zur Wiederherstellung der Funktionalisierung der Inertstoffe vorhanden sind.
Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zur erneuten Beimischung des funktionalisierten Inertstoffes in den verunreinigten Wasserstrom vorhanden sind.