DE102012101031B4 - Method for preventing lime scale - Google Patents
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Abstract
Verfahren zum Behandeln von fließendem Wasser zur Vermeidung von Kalkansatz, wobei das Wasser einem Behälter (10) zugeführt wird, in dem das Wasser mittels einer oder mehrerer Ultraschallquellen (30) einem Ultraschall-Feld ausgesetzt wird, und nach der Behandlung über einen Ablauf (12) abfließt,
wobei der im Wasser gelöste Kalk mittels einer Fällungsreaktion an Oberflächen im Inneren des Behälters (10) abgeschieden und mittels des Ultraschall-Feldes von diesen Oberflächen entfernt und als fester Kalk in Form von Schwebeteilchen in das Wasser zurückgeführt wird,
und wobei der gelöste Kalk elektrolytisch mittels Gleichstrom in einem Kathodenraum (13) an einer Kathode (40) ausgefällt wird, wobei die Oberfläche der Kathode (40) von dem Ultraschall-Feld zumindest zeitweise beaufschlagt wird,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Wasser zunächst durch den Kathodenraum (13) und anschließend durch einen Anodenraum (14) mit ein oder mehreren Anoden (50) geleitet wird oder dass der Kathodenraum (13) und der Anodenraum (14) parallel durchströmt werden,
und dass der gelöste Kalk an der Oberfläche einer Mineralpressung, eines Mineral-Wirbelbetts oder einer Mineralschüttung ausgefällt wird.
A method for treating running water to prevent lime deposits, wherein the water is supplied to a container (10) in which the water is subjected to an ultrasonic field by means of one or more ultrasound sources (30) and after the treatment via a drain (12 ) drains off,
wherein the lime dissolved in the water is precipitated by means of a precipitation reaction on surfaces inside the container (10) and removed by means of the ultrasonic field from these surfaces and returned as solid lime in the form of suspended particles in the water,
and wherein the dissolved lime is electrolytically precipitated by means of direct current in a cathode chamber (13) at a cathode (40), wherein the surface of the cathode (40) is acted upon by the ultrasound field at least temporarily,
characterized,
that the water is first passed through the cathode space (13) and then through an anode space (14) with one or more anodes (50) or that the cathode space (13) and the anode space (14) are flowed through in parallel,
and that the dissolved lime precipitates on the surface of a mineral squeeze, a mineral fluid bed or a mineral bed.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Behandeln von fließendem Wasser zur Vermeidung von Kalkansatz, wobei das Wasser über einen Zulauf einem Behälter als Bestandteil einer Wasserbehandlungsanlage zur Vermeidung von Kalkansatz zugeführt wird, in dem das Wasser mittels ein oder mehrerer Ultraschallquellen einem Ultraschall-Feld ausgesetzt wird, und nach der Behandlung über einen Ablauf abfließt.The invention relates to a method for treating running water to prevent lime, wherein the water is fed via an inlet to a container as part of a water treatment plant for preventing lime, in which the water is exposed to an ultrasonic field by means of one or more ultrasonic sources, and after the treatment drains off via a drain.
Der Trend geht volkswirtschaftlich zur verstärkten Wärmerückgewinnung bzw. effizienten Wärmeenergienutzung, insbesondere bei Solarkollektoren und Wärmetauschern. Bei erhöhtem Wärmeeintrag kommt es u.a. an Oberflächen / Heiz- und Wärmetauscherflächen zu verstärktem Kalkaustrag sowie -ablagerungen, die die Wirkung der Effizienzmaßnahmen herabsenken. Ein klassisches Verfahren zur Verhinderung von Kalkaustrag ist die Wasserenthärtung mittels lonentauscher. Nachteil dieses Verfahrens ist, dass kalkarmes Wasser häufig einen niedrigeren pH-Wert besitzt und auf Kupfer- und verzinkte Rohre korrosiv wirken kann. Dem wird durch die Zugabe von Phosphat entgegengewirkt. Phosphat im Trinkwasser ist jedoch in der Regel nicht erwünscht und lonentauscherharze können organische Spurenstoffe freisetzen. Darüber hinaus wird das Wasser durch den lonentauscher mit Natrium angereichert. Dies kann durch eine Härtestabilisierung, wie sie im folgenden beschrieben wird, verhindert werden.Economically speaking, the trend is towards increased heat recovery and efficient use of heat energy, especially for solar collectors and heat exchangers. With increased heat input u.a. on surfaces / heating and heat exchanger surfaces to increased lime discharge and deposits, which reduce the effect of efficiency measures. A classic method for preventing lime discharge is water softening by means of ion exchangers. The disadvantage of this process is that low-lime water often has a lower pH and can have a corrosive effect on copper and galvanized pipes. This is counteracted by the addition of phosphate. However, phosphate in drinking water is generally undesirable and ion exchange resins can release organic trace substances. In addition, the water is enriched by the ion exchanger with sodium. This can be prevented by a hardness stabilization as described below.
Aus vielen Veröffentlichungen ist bekannt, dass sogenannte Impfkristalle zur Verhinderung der Kalkausfällung an Wandungen und Heizstäben dienen können. Leitungswasser ist i.d.R. eine übersättigte Kalklösung. Das trifft sogar für eher weiche Wässer zu, da Trinkwasser aufgrund der Trinkwasserverordnung von den Wasserwerken so eingestellt wird, dass es nicht kalzitlösend wirkt, da es sonst u.a. Beton und Marmor angreift und die Bildung von passivierenden Schichten auf Metallen verhindert. Die Kalkabscheidung ist kinetisch gehemmt, weswegen der Kalk trotz Übersättigung in Lösung bleibt. Oberflächen begünstigen die Kalkausfällung. Dazu gehören u.a. die Wandungen der Rohrleitungen sowie Heizstäbe. Sind jedoch Impfkristalle in Suspension vorhanden, so wird durch dieses zusätzliche Oberflächenangebot die Abscheidung auf die Impfkristalle verlagert.From many publications it is known that so-called seed crystals can serve to prevent lime precipitation on walls and heating elements. Tap water is i.d.R. a supersaturated lime solution. This is even true for rather soft waters, since drinking water is set by the waterworks so that it does not cause calcite dissolving, otherwise it might be due to the drinking water regulation. Concrete and marble attacks and prevents the formation of passivating layers on metals. The lime deposit is kinetically inhibited, which is why the lime remains in solution despite supersaturation. Surfaces favor lime precipitation. These include u.a. the walls of the pipes and heating rods. However, if seed crystals are present in suspension, the deposit is transferred to the seed crystals by this additional surface supply.
Weiterhin bekannt sind elektrolytisch unterstützte Prozesse zur Kalkabscheidung. Bei der kathodische Kalkabscheidung wird Wasser elektrolysiert. An der Kathode entsteht Wasserstoff. Im Wasser verbleiben dagegen Hydroxid-Ionen, so dass die Lösung an der Kathode alkalisch wird. Kalk und Kohlensäure unterliegen einem chemischen Gleichgewicht. Im alkalischen Milieu liegt das Gleichgewicht auf der Seite von Kalziumkarbonat, das dadurch an der Kathode ausfällt und abgeschieden wird. Dies kann zur Bildung von Kristallkeimen verwendet werden. Das chemische Lösungsgleichgewicht wird durch die Reaktionsgleichung
Aus der
Eine weitere Methode, Kalk auszufällen, ist die Kalkausfällung auf Metallen. Mit bestimmten metallischen Oberflächen (zum Beispiel Eisen und eisenhaltige Legierungen, Kupfer) verbindet sich der Kalk aber fest und ist schwer abzulösen, insbesondere wenn Korrosionsprodukte als haftvermittelnde Schicht dazu kommen.Another method of precipitating lime is lime precipitation on metals. With certain metallic surfaces (for example, iron and iron-containing alloys, copper), the lime connects firmly and is difficult to remove, especially if corrosion products come as an adhesion-promoting layer to it.
Ultraschall wird zur Reinigung von Oberflächen benutzt. Dabei wird seine Fähigkeit ausgenutzt, Kavitationsblasen auszubilden, die beim Zusammenbrechen hohe mechanische Belastungsspitzen verursachen, die man zur Absprengung des angewachsenen Kalks nutzen kann. Die dabei auftretenden Effekte sind u.a. aus der Schrift Heinrich Kuttruff: Physik und Technik des Ultraschalls, S. Hirzel Verlag Stuttgart bekannt.Ultrasound is used to clean surfaces. It exploits its ability to form cavitation bubbles, which cause high mechanical stress peaks when collapsed, which can be used to blow off the grown lime. The resulting effects are, inter alia, from the writing Heinrich Kuttruff: Physics and ultrasound technology, S. Hirzel Verlag Stuttgart known.
Die Größe der beim Reinigen entstehenden Kalkkristalle wird durch mehrere Faktoren beeinflusst, wie etwa die Frequenz, die Amplitude und die Dauer der Ultraschall-Einwirkung. Je höher die Frequenz, umso kleiner sind die abgespaltenen Fragmente. Genauso führt die Erhöhung der Amplitude zu einer beschleunigten Fragmentierung des Kalks. Durch eine lange Einwirkzeit des Ultraschalls wird die Fragmentierung weiter fortgesetzt.The size of the lime crystals formed during cleaning is influenced by several factors, such as the frequency, the amplitude and the duration of the ultrasound exposure. The higher the frequency, the smaller are the cleaved fragments. Likewise, increasing the amplitude leads to accelerated fragmentation of the lime. Due to a long exposure time of the ultrasound fragmentation continues.
Weitere Techniken, wie das Abrütteln, Abschaben oder einer elektrolytischen Ablösung können ebenfalls zur Freisetzung von Kalkablagerungen genutzt werden, haben aber spezifische Nachteile. Das Abrütteln, was einer Ultraschall-Anwendung bei sehr niedriger Frequenz entspricht, hat den Nachteil, dass zu grobe Partikel entstehen. Ein mechanisches Abschaben, zum Beispiel mit Bürsten, führt ebenfalls zur Bildung eher grober Partikel mit schlecht kontrollierbarem Größenspektrum. Darüber hinaus hat der Vorgang des Abschabens den Nachteil, dass in der Bürste gefällter Kalk die Bürste mit der Zeit zusetzt, was zum Austausch der Bürste führt.Other techniques, such as shaking, scraping or electrolytic stripping, can also be used to limescale release, but have specific disadvantages. The shaking, which corresponds to an ultrasound application at very low frequency, has the disadvantage that arise too coarse particles. Mechanical scraping, for example with brushes, also leads to the formation of rather coarse particles with poorly controllable size spectrum. In addition, the process of scraping has the disadvantage that lime precipitated in the brush adds the brush over time, resulting in replacement of the brush.
Bei einer elektrolytischen Ablösung, wie sie aus der
In der
Aus der
Bekannt ist auch eine Ultraschallbehandlung von Wasser Allerdings hat sich in der Praxis auch gezeigt, dass eine reine Ultraschallbehandlung zur Kalkvermeidung bei bestimmten Betriebsparametern nicht die erwünschte Wirkung hat, wie dies aus einer Testreihe an physikalischen Wasserbehandlungsgeräten der Stiftung Warentest aus dem Jahr 2006 bekannt ist. Insbesondere bei erhöhten Temperaturen (60°C und mehr) konnte keine Reduktion von Kalk beobachtet werden.However, it has also been shown in practice that pure ultrasonic treatment for limescale prevention does not have the desired effect under certain operating parameters, as is known from a test series of physical water treatment devices from Stiftung Warentest in 2006. Especially at elevated temperatures (60 ° C and more) no reduction of lime could be observed.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren bereitzustellen, mit dem Kalkablagerungen in Trinkwassersystemen vermieden werden. Da Trinkwasser auf keinen Fall mit chemischen Zusätzen behandelt werden sollte, sollen in diesem Verfahren ausschließlich physikalische Effekte ausgenutzt werden.The object of the invention is to provide a method with which lime deposits in drinking water systems are avoided. Since drinking water should by no means be treated with chemical additives, only physical effects should be exploited in this process.
Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass der im Wasser gelöste Kalk mittels einer Fällungsreaktion an Oberflächen im Inneren des Behälters abgeschieden und mittels des Ultraschall-Feldes in bestimmten Zeitabständen von diesen Oberflächen entfernt und als fester Kalk in Form von Schwebeteilchen, welche auch als Impfkristalle wirken können, in das Wasser zurückgeführt wird. Mit dem Verfahren kann eine effektive Härtestabilisierung ohne den Einsatz von chemischen Hilfsmitteln, wie Salzen, erreicht werden. Es werden dabei unterschiedliche physikalische Effekte kombiniert, die auch unter Praxisbedingungen eine hohe Impfkristallentstehungsrate zur Vermeidung von Kalkansatz ermöglichen. Wünschenswert sind einerseits eine hohe Oberfläche auf den freigesetzten Impfkristallen, sowie eine möglichst geringe Sichtbarkeit. Partikel unter einer Größe von 30 bis 100 µm sind nicht mehr als einzelne Partikel wahrnehmbar, fallen jedoch noch als Trübung auf. Allerdings ist eine derart starke Beladung des Wassers mit Impfkristallen unerwünscht, da eine kleine Partikelmenge für die Wirksamkeit bereits ausreichend ist. Die Kalkabscheidung kann auf zweierlei Weise geschehen.The object is achieved in that the lime dissolved in the water deposited by means of a precipitation reaction on surfaces inside the container and removed by means of the ultrasonic field at certain intervals from these surfaces and as solid lime in the form of suspended particles, which can also act as seed crystals , is returned to the water. With the method, an effective hardness stabilization can be achieved without the use of chemical aids, such as salts. It combines different physical effects that allow a high Impfkristallentstehungsrate to avoid lime, even under practical conditions. On the one hand, a high surface area on the released seed crystals, and the lowest possible visibility are desirable. Particles under a size of 30 to 100 microns are no longer perceptible as individual particles, but still fall as a cloud. However, such a heavy loading of the water with seed crystals is undesirable because a small amount of particles is already sufficient for the effectiveness. The lime deposit can happen in two ways.
Im einen Fall wird der Kalk elektrolytisch auf einer Kathode abgeschieden. Die Erfindung sieht daher vor, dass der gelöste Kalk elektrolytisch mittels Gleichstrom in einem Kathodenraum an einer Kathode ausgefällt wird, wobei die Oberfläche der Kathode von dem Ultraschall-Feld zumindest zeitweise beaufschlagt wird. Man macht sich dabei die eingangs erwähnte Verschiebung des Lösungsgleichgewichts gemäß (1) zu Nutze. Aufgrund der Wasserströmung kommt es zu einer Durchmischung und einem Abtransport der elektrolytisch erzeugten Gase Sauerstoff und Wasserstoff, somit kommt es nicht zu einer gefährlichen Anreicherung eines sogenannten „Knall-Gas-Gemisches“. Außerdem muss sichergestellt werden, dass es nicht zu einer säurebedingten Korrosion der Kathode kommt, ausgelöst durch die Reaktion an der Anode. Eine Trennung von Anoden- und Kathodenraum ist daher vorteilhaft. Dies kann durch eine entsprechende Vorrichtung wie eine semipermeable Membran oder anderen Vorrichtungen erreicht werden.In one case, the lime is deposited electrolytically on a cathode. The invention therefore provides that the dissolved lime is precipitated electrolytically by means of direct current in a cathode space at a cathode, wherein the surface of the cathode is acted upon by the ultrasonic field at least temporarily. You do it yourself mentioned above shift the solution equilibrium according to (1) to use. Due to the water flow, there is a mixing and removal of the electrolytically generated gases oxygen and hydrogen, thus there is no dangerous accumulation of a so-called "pop-gas mixture". In addition, it must be ensured that there is no acid-related corrosion of the cathode, triggered by the reaction at the anode. A separation of anode and cathode space is therefore advantageous. This can be achieved by a corresponding device such as a semipermeable membrane or other devices.
In einer bevorzugten Verfahrensvariante ist vorgesehen, dass das Wasser zunächst durch den Kathodenraum und anschließend durch einen Anodenraum mit ein oder mehreren Anoden geleitet wird oder dass der Kathodenraum und der Anodenraum parallel durchströmt werden. Bei einer seriellen Durchströmung von Kathodenraum und Anodenraum ergibt sich im Kathodenraum ein relativ hoher pH-Wert im ersten Teil des Geräts. Kalk kann so in größerem Maß ausgefällt werden. Treten die Kalkkristalle zusammen mit dem Wasser in den Anodenraum, kommt es zunächst mit hoher Wahrscheinlichkeit zu einer Neutralisation der mitgespülten OH--Ionen aus dem Kathodenraum und der H3O+-Ionen aus dem Anodenraum. Die Kalkkristalle werden somit nur geringfügig angegriffen.In a preferred variant of the method it is provided that the water is first passed through the cathode space and then through an anode space with one or more anodes or that the cathode space and the anode space are flowed through in parallel. In the case of a serial flow through the cathode space and the anode space, the cathode space has a relatively high pH in the first part of the device. Lime can be precipitated to a greater extent. If the lime crystals enter the anode space together with the water, it is very likely that the co-purged OH - ions from the cathode space and the H 3 O + ions from the anode space will be neutralized. The calcium crystals are thus only slightly attacked.
Vorteilhaft ist es auch, die Fließgeschwindigkeit im Anodenraum zu erhöhen, so dass die Verweildauer der Kalkkristalle im sauren Anodenraum verkürzt wird. Eine kürzere Verweilzeit des Wassers im Anodenraum als die im Kathodenraum kann beispielsweise durch eine entsprechende Geometrieauslegung erreicht werden, in dem der Durchströmquerschnitt des Anodenraums kleiner als der Durchströmquerschnitt des Kathodenraums ausgeführt wird.It is also advantageous to increase the flow rate in the anode compartment, so that the residence time of the calcium crystals in the acidic anode compartment is shortened. A shorter residence time of the water in the anode space than in the cathode space can be achieved, for example, by a corresponding geometrical design, in which the flow area of the anode space is smaller than the flow area of the cathode space.
Um die Verweildauer der im Kathodenraum erzeugten Impfkristalle im Kathodenraum zu erhöhen, so dass sich weiterer Kalk an diesen ablagern kann, ist in einer Verfahrensvariante vorgesehen, dass zumindest ein Teil des Wassers im Behälter, insbesondere im Kathodenraum, mittels einer Wirbelströmung zirkuliert. Dies kann durch eine entsprechende geometrische Ausgestaltung des Kathodenraums erreicht werden. Man erhält in diesem Fall einen Kalkkristall-Inkubator.In order to increase the residence time of the seed crystals generated in the cathode space in the cathode space, so that further lime can deposit on these, it is provided in a process variant that at least a portion of the water circulates in the container, in particular in the cathode space, by means of a turbulent flow. This can be achieved by a corresponding geometric configuration of the cathode space. In this case, a lime-crystal incubator is obtained.
Eine Alternative sieht vor, dass über einen Rücklauf ein Teil des über den Ablauf abfließenden Wassers wieder dem Behälter zugeführt wird. Die im abfließenden Wasser enthaltenen Impfkristalle können somit zur weiteren Kalkanreicherung genutzt werden.An alternative provides that a portion of the effluent via the drain water is returned to the container via a return. The seed crystals contained in the effluent water can thus be used for further lime enrichment.
Eine weitere bevorzugte Verfahrensvariante sieht vor, dass der gelöste Kalk an der Oberfläche einer Mineralpressung, einem Mineral-Wirbelbett oder einer Mineralschüttung, insbesondere Quarz und/ oder Quarzmehl aufweisend, ausgefällt wird. Quarzsand hat sich als geeignetes Material herausgestellt, um Kalk an seiner Oberfläche auszufällen und damit Kalkablagerungen an anderen Grenzflächen zu verhindern. Dabei ist eine Siebung auf bestimmte, d.h. definierte Korngrößen vom Hersteller gewährleistet.A further preferred variant of the method provides that the dissolved lime is precipitated on the surface of a mineral press, a mineral fluid bed or a mineral bed, in particular quartz and / or quartz flour. Quartz sand has proven to be a suitable material for precipitating limescale on its surface and thus preventing calcification at other interfaces. Here, a sieving to certain, i. defined grain sizes guaranteed by the manufacturer.
Um ein „Abrütteln“ des an der Oberfläche gebildeten Kalks zu gewährleisten, ist vorgesehen, dass die Mineralpressung, das Mineral-Wirbelbett oder die Mineralschüttung im Inneren des Behälters mittels Sieben in einem bestimmten Volumenbereich des Behälters gehalten und in diesem mit dem Ultraschall-Feld beaufschlagt wird. Die Mineralpackung kann damit optimal im Resonator positioniert werden, so dass eine effiziente Beschallung erfolgen kann.In order to ensure a "shaking off" of the lime formed on the surface, it is provided that the mineral pressing, the mineral fluid bed or the mineral fill inside the container held by sieves in a certain volume range of the container and applied in this with the ultrasonic field becomes. The mineral pack can thus be optimally positioned in the resonator so that an efficient sonication can take place.
Für einen optimalen Betrieb sind verschiedene Parameter entscheidend. Für die Kalkausfällung mittels Elektrolyse ist dies insbesondere der Strom und davon abhängig die Spannung in Relation zur Durchflussmenge. Für die Kalkabscheidung auf Quarzsand sind das die Korngröße sowie das Filtervolumen. Für den Ultraschall ist die zu wählende Frequenz entscheidend, die Mindestintensität zur Ablösung des Kalks von den Fällungsflächen sowie einer geeigneten Impulsrate bzw. mittleren Intensität, um eine geeignete Teilchengröße in geeigneter Menge abzulösen. Es ist daher vorgesehen, dass die Spannung, und damit der Stromfluss der Elektrolyse zwischen Kathode und Anode, und/ oder die Intensität und/ oder die Einschaltdauer und/ oder die zeitlichen Abstände der Aktivierung des Ultraschall-Feldes abhängig von einer Durchflussmenge des Wassers durch den Behälter gesteuert werden. Ein Durchflussmesser bestimmt die Menge des durchgeflossenen Wassers. Anhand der Durchflussrate wird der Elektrolysestrom entsprechend eingestellt, um die benötigte Menge an Kalkkristallen auszufällen. Nach einer bestimmten Durchflussmenge erfolgt die impulsartige Ablösung des Kalkes durch Ultraschall. Alternativ kann die Ultraschall-Intensität proportional zur Durchflussrate eingestellt werden. Im Falle der Kalkabscheidung an Quarzsand entfällt die Elektrolyse. Die Einstellung der Impulsrate bzw. der Intensität des Ultraschalls erfolgt analog. Der Prozess kann durch eine geeignete Steuerung eingeleitet werden, die auf die Durchflussmenge reagiert.Various parameters are crucial for optimal operation. For lime precipitation by means of electrolysis, this is in particular the current and dependent thereon the voltage in relation to the flow rate. For calcination on quartz sand, these are the grain size and the filter volume. For the ultrasound, the frequency to be selected is critical, the minimum intensity for removing the lime from the precipitation surfaces and a suitable pulse rate or average intensity, in order to replace a suitable particle size in an appropriate amount. It is therefore provided that the voltage, and thus the current flow of the electrolysis between the cathode and anode, and / or the intensity and / or the duty cycle and / or the time intervals of the activation of the ultrasonic field depending on a flow rate of water through the Container controlled. A flow meter determines the amount of water that has flowed through. Based on the flow rate of the electrolysis current is adjusted accordingly to precipitate the required amount of calcium crystals. After a certain flow rate, the pulse-like detachment of the lime takes place by ultrasound. Alternatively, the ultrasound intensity can be adjusted in proportion to the flow rate. In the case of lime precipitation of quartz sand, the electrolysis is eliminated. The setting of the pulse rate or the intensity of the ultrasound is analog. The process can be initiated by a suitable controller that responds to the flow rate.
Wird, wie dies eine bevorzugte Verfahrensvariante vorsieht, das Ultraschall-Feld in einem chaotischen Resonator angeregt und/ oder werden mehrere Ultraschallquellen mit verschiedenen Frequenzen und/ oder mehrere pulsweise angeregte Ultraschallquellen verwendet, kann der Effekt der sogenannten destruktiven Interferenz bzw. Interferenzschatten, bei denen es zu einer Neutralisierung des Schallfeldes kommt, weitestgehend gemindert oder ganz vermieden werden. Der Schall kann somit gleichmäßig verteilt werden. Daher werden in einer Ausführungsform Ultraschallquellen mit unterschiedlichen Frequenzen verwendet. Die andere Ausführungsmöglichkeit besteht in der Verwendung einer pulsweise angeregten Schallquelle, dadurch wird ein Frequenzgemisch erzeugt. Nach der Heisenbergschen Unschärferelation verbreitert sich die Frequenzunschärfe, je kürzer die Anregungszeit ist - die frequenzschärfste Anregung wäre ein unendlicher Ton, d.h. kontinuierliche Einstrahlung des Schalls. Der Quarzsand bzw. die Schwamm-Kathode füllt den Resonator, da an diesem Material sowohl der Kalk abgeschieden als auch als Mikrokristalle abgelöst wird.If, as is provided by a preferred variant of the method, the ultrasound field is excited in a chaotic resonator and / or if a plurality of ultrasound sources with different frequencies and / or a plurality of ultrasound sources excited in pulses is used, the effect of the so-called destructive interference or interference shadows can occur which leads to a neutralization of the sound field, be minimized as far as possible or completely avoided. The sound can thus be distributed evenly. Therefore, in one embodiment, ultrasound sources having different frequencies are used. The other possible embodiment consists in the use of a pulsed excited sound source, thereby a frequency mixture is generated. According to Heisenberg's uncertainty principle, the frequency uncertainty widens, the shorter the excitation time is - the frequency-sharpest excitation would be an infinite sound, ie continuous irradiation of the sound. The quartz sand or the sponge cathode fills the resonator, as both the lime is deposited on this material and also detached as microcrystals.
Um im Fall einer Zusetzung des Behälters durch unterschiedliche Gründe, wie etwa einem Ausfall des Ultraschalls bei einem Stromausfall, einen Stau in der Leitung zu verhindern, wird das Wasser zwischen Zulauf und Ablauf, abhängig von einem Druck im Behälter, über einen Bypass geführt.In order to prevent a congestion in the line in the event of a clogging of the container due to various reasons, such as a failure of the ultrasound in the event of a power failure, the water is bypassed between inlet and outlet, depending on a pressure in the container.
Dabei kann vorgesehen sein, dass dem Bypass ein als selbst schließendes Überdruckventil ausgebildetes Ventil zugeordnet ist, das bei Überschreiten eines vorgegebenen oder vorgebbaren ersten Grenzwertes für den Druck der Bypass geöffnet und nach einem Druckabfall unter einen vorgegebenen oder vorgebbaren zweiten Grenzwert für den Druck selbstständig geschlossen wird. Hierzu eignen sich besonders handelsübliche mechanische arbeitende Überdruckventile. Diese können zudem mit einer mechanischen Anzeige versehen sein.It can be provided that the bypass is designed as a self-closing pressure relief valve valve is opened when a predetermined or predetermined first limit value for the pressure of the bypass and automatically closed after a pressure drop below a predetermined or predetermined second limit for the pressure , Commercially available mechanical working pressure relief valves are particularly suitable for this purpose. These can also be provided with a mechanical display.
Das Kathodenmaterial muss einerseits leitfähig und andererseits elektrochemisch als Kathode stabil sowie robust gegenüber der Ultraschallbehandlung sein, d.h. eine gewisse Zähigkeit bzw. Duktilität aufweisen. Die Materialauswahl begründet sich daher aus der elektrochemischen Spannungsreihe. Außerdem muss verhindert werden, dass Teile der Legierung, wie beispielsweise Chrom in das Trinkwasser übergehen. Entsprechende Grenzwerte der Trinkwasserverordnung sind dabei einzuhalten. Eine möglichst große Oberfläche ist wünschenswert, um eine möglichst große Ausbeute an Impfkristallen zu erzielen. Das Anodenmaterial muss über einen weiten Spannungsbereich chemisch inert sein. Außerdem sollte in Suspension übergegangenes Elektrodenmaterial physiologisch unbedenklich sein. In einer bevorzugten Verfahrensvariante ist daher vorgesehen, dass als Kathode eine schwammartige oder gewirrartige Struktur mit großer Oberfläche, insbesondere bestehend aus Edelstahl, und/ oder als Anode Graphit, insbesondere bestehend aus ein oder mehreren Graphitstäben, verwendet werden. An der Kathode entstehen Wasserstoff und Hydroxidionen (OH-), wodurch es durch die Verschiebung des Kalk-Kohlensäure-Gleichgewichts zu einer Entstehung von Kalziumcarbonat kommt. Die besonders große Oberfläche begünstigt die Ausfällung von Kalkkristallen. Edelstahl besitzt hinsichtlich der chemischen Anforderungen entsprechend gute Eigenschaften. An der Anode entsteht Sauerstoff und Hydroniumionen (H3O+). Die Graphitstäbe der Anode sind bevorzugt räumlich von der Ultraschallquelle abgetrennt angeordnet, sodass es nicht zu einer Ablösung von Graphit während der Beschallung kommt. Eine spezielle Schallschutzwand kann eine entsprechende Abschirmung gewährleisten. Dabei können beispielsweise ein oder mehrere Graphit-Elektroden (Anode) räumlich von der Kathode (zum Beispiel ein Stahlschwamm) entfernt angeordnet sein, bzw. eine Diffusionsbarriere wie zum Beispiel eine poröse wasserdurchlässige Keramik, um die Durchmischung der pH-Milieus zu vermeiden.On the one hand, the cathode material must be conductive and, on the other hand, electrochemically stable as a cathode and robust with respect to the ultrasonic treatment, ie have a certain toughness or ductility. The material selection is therefore based on the electrochemical series of voltages. In addition, it must be prevented that parts of the alloy, such as chromium go into the drinking water. Corresponding limit values of the Drinking Water Ordinance must be observed. The largest possible surface is desirable in order to achieve the highest possible yield of seed crystals. The anode material must be chemically inert over a wide voltage range. In addition, electrode material transferred in suspension should be physiologically harmless. In a preferred variant of the method it is therefore provided that the cathode used is a spongy or tangle-like structure with a large surface, in particular made of stainless steel, and / or as an anode of graphite, in particular consisting of one or more graphite rods. At the cathode arise hydrogen and hydroxide ions (OH - ), which is due to the shift of the lime-carbonic acid equilibrium to the formation of calcium carbonate. The particularly large surface favors the precipitation of lime crystals. Stainless steel has correspondingly good properties with regard to the chemical requirements. Oxygen and hydronium ions (H 3 O + ) are produced at the anode. The graphite rods of the anode are preferably arranged spatially separated from the ultrasonic source, so that there is no separation of graphite during the sonication. A special soundproofing wall can ensure a suitable shielding. In this case, for example, one or more graphite electrodes (anode) may be arranged spatially away from the cathode (for example a steel sponge), or a diffusion barrier such as, for example, a porous, water-permeable ceramic in order to avoid thorough mixing of the pH environments.
Um den gesamten Kathodenraum oder den Raum der Mineralpressung, des Mineral-Wirbelbetts oder der Mineralschüttung gleichmäßig beschallen zu können, ist vorgesehen, dass ein Ultraschall-Feld mittels in einer Ebene, zum Beispiel in der Mittelebene, um einen zylindrischen Resonator im Inneren des Behälters angeordneten Ultraschallquellen erzeugt wird. Bei zum Beispiel drei Ultraschallquellen können diese in einem etwa gleichseitigen Dreieck um den Kathodenraum oder den Raum mit dem Quarz-Sand angeordnet sein.In order to be able to uniformly irradiate the entire cathode space or the space of the mineral pressing, the mineral fluidized bed or the mineral fill, it is provided that an ultrasound field is arranged in a plane, for example in the center plane, around a cylindrical resonator inside the container Ultrasonic sources is generated. In the case of, for example, three ultrasound sources, these can be arranged in an approximately equilateral triangle around the cathode space or the space with the quartz sand.
Was die Partikelgröße der Kalk-Schwebeteilchen betrifft, existiert eine Untergrenze: Unterhalb von 4 nm findet keine Kalkabscheidung mehr auf den Impfkristallen statt. Stattdessen drängt die Lösungskinetik die Impfkristalle zurück in die Lösung. Eine weitere Beschränkung entsteht durch die Abwischbarkeit des Kalks beim Trocknen auf Oberflächen. Zu kleine Kalkkristalle können nur schwer abgewischt werden und sind daher bei einem Einsatz in Haushalten zu vermeiden. Die optimale Größe liegt bei 500 bis 2000 nm. Größere Partikel sedimentieren in Trinkwassersystemen, zum Beispiel in Boilern, während kleinere Partikel dazu neigen, sich in Gesteinsporen festzusetzen und somit nicht abwischbar sind. Es ist daher vorgesehen, dass die Schwebeteilchen, die über den Ablauf abgeführt werden, eine Größe von ≥ 4 nm, insbesondere eine Größe im Bereich zwischen 500 und 2000 nm, aufweisen.As for the particle size of the lime floating particles, there is a lower limit: below 4 nm, lime precipitation no longer occurs on the seed crystals. Instead, the solution kinetics forces the seed crystals back into the solution. Another limitation arises from the wipeability of the lime when drying on surfaces. Too small calcium crystals are difficult to wipe off and should therefore be avoided when used in households. The optimal size is 500 to 2000 nm. Larger particles sediment in drinking water systems, for example in boilers, while smaller particles tend to settle in rock spores and thus are not wipeable. It is therefore provided that the suspended particles, which are discharged via the outlet, have a size of ≥ 4 nm, in particular a size in the range between 500 and 2000 nm.
Eine bevorzugte Anwendung des Verfahrens, wie es zuvor in seinen Varianten beschrieben wurde, sieht den Einsatz in häuslichen Wasserbehandlungsanlagen zur Härtestabilisierung sowie in Bereichen, in denen Lebensmittel hergestellt oder verarbeitet werden, vor, in denen die Erhaltung der Trinkwasserqualität von großer Bedeutung ist und eine Behandlung des Trinkwassers mit chemischen Zusätzen unerwünscht ist. Zudem kann das erfindungsgemäße Verfahren vorteilhaft in kompakten, platzsparenden Wirkeinheiten umgesetzt werden, was insbesondere in häuslicher Einsatzumgebung vorteilhaft ist.A preferred application of the method, as previously described in its variants, provides for use in domestic water treatment plants for hardness stabilization and in areas where food is produced or processed, in which the preservation of drinking water quality is of great importance and treatment drinking water with chemical additives is undesirable. In addition, the method according to the invention can advantageously be used in compact, space-saving operating units are implemented, which is particularly advantageous in domestic environments.
Weitere Anwendungen stellen beispielsweise mobile Wasseraufbereitungsanlagen dar, wenn Verbrauchsmaterial zur Enthärtung nicht zur Verfügung steht bzw. dessen Verwendung nicht gewünscht ist; ebenso kleine und mittlere (stationäre) Anlagen zur Wasseraufbereitung bei denen Kalk nicht aus dem Wasser entfernt werden soll, aber Kalkablagerungen weitestgehend zu verringern sind.Other applications are, for example, mobile water treatment plants, if consumables for softening is not available or its use is not desired; also small and medium-sized (stationary) systems for water treatment in which lime should not be removed from the water, but limescale deposits are to be reduced as much as possible.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines in der Figur dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:
-
1 eine Wirkeinheit als Bestandteil einer Wasserbehandlungsanlage zur Härtestabilisierung mit serieller Durchströmung; -
1b eine Abwandlung von 1 mit axialer Ultraschall-Einwirkung; -
2 einezu 1 alternative Ausführungsform mit paralleler Durchströmung; -
3 eine weitere zu1 alternative Ausführungsform mit einem Kalkkristall-Inkubator; -
4 eine Wirkeinheit mit einer Bypass-Beschaltung; und -
5 eine Wirkeinheit mit einer Mineralschüttung zur Kalkfällung.
-
1 an active unit as part of a water treatment plant for hardness stabilization with serial flow; -
1b a modification of1 with axial ultrasonic action; -
2 one too1 alternative embodiment with parallel flow; -
3 another one too1 alternative embodiment with a lime-crystal incubator; -
4 an active unit with a bypass circuit; and -
5 an activity unit with a mineral fill for lime precipitation.
Die
Um den Kathodenraum
Die als Edelstahlschwamm
Die Härtestabilisierung verläuft in den nachfolgend beschriebenen Stufen ab. Zunächst wird im Kathodenraum
Beispiel wird dies durch die Trennwand
Der Prozess wird durch eine geeignete Steuerung eingeleitet, die auf die Durchflussmenge reagiert. Ein im Zulauf
Alternativ dazu kann vorgesehen sein, dass ein Teil der erzeugten Impfkristalle am in Strömungsrichtung des Wassers gesehen Ende des Kathodenraums
Um im Fall einer Zusetzung der Wirkeinheit, zum Beispiel infolge eines Ausfalls des Ultraschalls bei einem Stromausfall, einen Stau bzw. unzulässigen Überdruck in der Leitung zu verhindern, ist, wie dies
Der Behälter
Als vorteilhaft hat sich eine Korngröße von 0,5 bis 5 mm für die Mineralschüttung erwiesen, wobei eine kleine Korngröße zwar eine größere Oberfläche ergibt und die Kalkablagerung begünstigt, aber dadurch der Staudruck im System erhöht wird. Zudem kann sich das Sieb
Der Kalk fällt an den Sandkörnern aus und wird mittels Ultraschall als Impfkristalle in Verkehr gebracht. In einer Wirbelbett-Ausführung, wie in
Der Behälter
Das erfindungsgemäße Verfahren kann insbesondere auch in Betrieben oder Anwendungsumgebungen zum Einsatz kommen, wobei die Abwischbarkeit des Kalkansatzes auf getrockneten Flächen eine Rolle spielt und Enthärtung nicht in Frage kommt. Des Weiteren bei mobilen Anlagen, wenn Verbrauchsmaterial zur Enthärtung nicht zur Verfügung steht bzw. dessen Verwendung nicht gewünscht ist; ebenso kleine und mittlere (stationäre) Anlagen zur Wasseraufbereitung, bei denen Kalk nicht aus dem Wasser entfernt werden soll, aber Kalkablagerungen weitestgehend zu verringern sind.The process according to the invention can also be used, in particular, in plants or application environments, where the wipeability of the lime base on dried surfaces plays a role and softening is out of the question. Furthermore, in mobile systems, if consumables for softening is not available or its use is not desired; as well as small and medium-sized (stationary) systems for water treatment, where lime should not be removed from the water, but limescale deposits are to be reduced as much as possible.
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