Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrich¬ tung zum Abtrennen von Komponenten aus flüssigen homogenen und heterogenen Systemen. Das erfindungsge¬ mäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung sind insbesondere geeignet zur Reinigung von Wasser von Mikroorganismen, Kohlenwasserstoffen und anderen fremdartigen Einschlüssen sowie zur Fraktionierung heterogener Lösungen oder Abtrennung einzelner Kompo¬ nenten.

Für das Abtrennen von Komponenten aus derartigen Systemen ist die Anwendung von Filtern (SU 169 0813) , von Flockungsmitteln (GB 223 0710) und Ionenaustau¬ schern (EP 0 281 645) bekannt.

Der Nachteil dieser technischen Lösungen ist deren Selektivität, d.h. sie sind nur für bestimmte Beimen¬ gungen anwendbar und machen schließlich eine komplexe Aufarbeitung der flüssigen Phase erforderlich. Bei Verwendung von Flockungsmitteln und Ionenaustauschern

werden bekanntlich chemische Stoffe in die flüssige Phase eingebracht, die deren Gebrauchseigenschaften verschlechtern können, was wiederum die Notwendigkeit ihrer zusätzlichen Reinigung und den Verbrauch von dazu erforderlichen Hilfsstoffen bedingt. Darüber hinaus ist zusätzlicher Aufwand zum Regenerieren der Reinigungs- oder Trennmittel zumeist die Folge.

Bekannt ist auch ein Verfahren zur magnetischen Be¬ handlung von Wasser. Die flüssige Phase durchfließt hierbei mehrere Schichten mit magnetisierten Streifen wechselnder Polarität. Die Flüssigkeit bewegt sich dabei vertikal zu den Magnetfeldlinien (FR 265 3033) . Diesem Verfahren haftet der Nachteil einer geringen Effektivität an. So ist es nur für einige Arten von Mikroorganismen wirksam.

Die Aufgabe der Erfindung besteht deshalb darin, ein einfacheres, effektiveres und universell anwendbares Verfahren zum Abtrennen von Komponenten aus flüssigen homogenen oder heterogenen Systemen, insbesondere aus verunreinigtem Wasser, bereitzustellen. Unter Kompo¬ nenten sind insbesondere Spezies, die molekular, ionogen oder kolloid gelöst sind und Mikroorganismen zu verstehen.

Aufgabe der Erfindung ist es weiterhin, eine Vorrich¬ tung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfah¬ rens zu schaffen, die eine effektivere Regenerierung und höhere Betriebsdauer ermöglicht.

Erfindungsgemäß wird erstere Aufgabe durch ein Ver¬ fahren mit den kennzeichnenden Merkmalen nach An¬ spruch 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens ergeben sich aus den Ansprüchen 2 bis 7.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist durch die Merkmale des Anspruches 8 gekennzeichnet. Vorteilhafte Weiterbildungen der Vorrichtung ergeben sich aus den Ansprüchen 9 bis 16.

Das erfindungsgemäße Verfahren und die vorgeschlagene Vorrichtung zeichnen sich gegenüber den bekannten Methoden und Vorrichtungen zur Reinigung von flüssi¬ gen Systemen und der Abtrennung verschiedenartiger Komponenten aus flüssigen Systemen insbesondere durch ihre Einfachheit aus. Polarisierbare Stoffe garantie¬ ren in Kombination mit einem elektrischen Feld einen hohen Reinigungseffekt und eine universelle Anwendbar¬ keit und ermöglichen darüber hinaus eine schnelle Re¬ generierung der technischen Ausrüstungen. So eignen sich das erfindungsgemäße Verfahren und die Vorrich¬ tung zum Abtrennen so verschiedenartiger Komponenten, wie schwebenden Teilchen, Mikroorganismen und Kohlen¬ wasserstoffen, aus flüssigen homogenen oder heteroge¬ nen Systemen.

Die optimalen Bedingungen für das Abtrennen einzelner Komponenten werden dabei durch folgende Überlegungen bestimmt.

Während des Durchströmens des Behälters, in dem polarisierbare Füllkörper angeordnet sind, vollzieht sich eine auf Polarisierung beruhende Wechselwirkung zwischen den in dem flüssigen homogenen oder hetero¬ gen System enthaltenen Komponenten und deren Koagula¬ tion oder Koaleszenz und anschließende Sorption auf dem Füllkörper.

Für die Entfernung der Komponenten aus dem Behälter sind eine Depolarisierung oder Polarisierung der Teilchen gegebenenfalls mittels eines elektrischen Feldes mit entgegengesetztem Vorzeichen oder eines Wechselfeldes bei Durchpumpen reinen Wassers oder einer erforderlichenfalls erhitzten Salzlösung, am besten in umgekehrter Richtung zur Durchströmrichtung

des flüssigen Systems, ausreichend. Dafür können auch an sich bekannte Detergentien, Säuren, Laugen oder organische Lösungsmittel verwendet werden.

Die Verwendung geringerer Feldstärken und höherer Durchsätze wirken sich zwar nachteilig auf die Effek¬ tivität der Reinigung des Wassers oder des Abtrennens von Komponenten aus der Flüssigkeit aus, jedoch ist eine Erniedrigung der Feldstärke im Reinigungsprozeß mit dem Ziel der Einsparung von Elektroenergie durch¬ aus möglich. Die Auswahl der maximalen Feldstärke und der minimalen Durchflußgeschwindigkeiten wird durch die Eigenschaften der betreffenden Flüssigkeit, beispielsweise des zu reinigenden Mediums und durch ökonomische Kriterien bestimmt. Daraus ergibt sich auch der Flüssigkeitsdurchsatz.

Im folgenden soll das erfindungsgemäße Verfahren anhand einiger Beispiele näher erläutert werden:

Beispiel 1

Wasser, das bei Sankt Petersburg aus der Newa im Bereich des Liegeplatzes für Schiffe im Winter aus 5 m Tiefe entnommen wurde, wurde durch eine Säule geleitet, die Körner aus ferroelektrischer Keramik mit einer Dielektrizitätszahl von 15.000 enthält und die in einem konstanten elektrischen Feld mit einer Feldstärke E von 1 bis 200 V/cm angeordnet sind. Das Volumen der Arbeitskammer betrug 1 x 1 x 50 cm ³ , der Wasserdurchsatz 5 bis 2500 ml/h (0,1 bis 50 h ^-1 ) und der Durchmesser der Körner 0,25 bis 0,4 mm.

Die Wasseranalyse erfolgte über Trübemessung mit Hilfe eines Spektrophotometers bei einer Wellenlänge von 460 nm sowie durch Aussaat in eine Nährlösung mit dem Ziel der Bestimmung des Coli-Index und der allge-

meinen mikrobiologischen Besiedlung. Die Aussaat erfolgte durch Einbringen von 9,1 ml Flüssigkeit in eine Petrischale mit Nährlösung (Endo, Fleischbrü- he-Agar usw.) und ihrer Inkubation im Verlaufe von 24 Stunden bei 36 bis 38 °C.

Das als Trinkwasser ungeeignete und mit Mikroorganis¬ men verseuchte Wasser entsprach nach der beschriebe¬ nen Behandlung den an Trinkwasser gestellten Anforde¬ rungen.

Beispiel 2

Bei Beibehaltung der Bedingungen des Beispiels 1 wurde unter Verwendung von Füllkörpern aus Material auf der Grundlage von N ₂ © ₅ mit einer Dielektrizitäts- zahl von 4000 und E = 100 V/cm ein künstliches Ge¬ misch mit einem spezifischen Volumendurchsatz von 1 h" ¹ durch die Apparatur gepumpt, das pro Liter Wasser ein Gemisch von 100 mg Erdölprodukten enthielt, das sich aus den Maschinenölen M-5 (10 %) , M-10 (10 %) , M-20 (10 %) , Schweröl (20 %) und Dieselöl (50 %) zu¬ sammensetzte.

Das Wasser-Kohlenstoff-Gemisch wurde mit Hilfe eines Magnetrührers homogenisiert und in die Säule gegeben. Jeweils nach 30 Minuten wurden Filtratproben mit Hilfe eines Laser-Spektrometers auf den Gesamtgehalt an Erdölprodukten untersucht.

Bei Verschlechterung der Filtratcharakteristik wurde durch die Säule im Verlaufe von 0,5 bis 10 Minuten in umgekehrter Richtung Salzwasser als Elektrolyt ge¬ pumpt, das 1 bis 4 % NaCl oder KN0 ₃ enthielt. Die Art der Regenerierlösung hat praktisch keinen Einfluß auf die Effektivität des Reinigungsprozesses gezeigt.

Beispiel 3

Bei Beibehaltung der Bedingungen des Beispiels 1 wurde Meerwasser des Finnlandischen Meerbusens von Verunreinigungen durch Erdölprodukte gereinigt. Die Regenerierung wurde erfolgreich mit 2 %iger NaCl-Lö- sung bei E = 10 V/cm durchgeführt.

Mit dem Ziel der Erhöhung der Ausbeute an Zielproduk¬ ten aus wässrigen Lösungen (auf Kosten der Verringe¬ rung der Eigenadsorption auf dem Trägermaterial) , der Erhöhung des Reinigungsgrades sowie der Reproduzier¬ barkeit der Trennergebnisse bei Gemischen können die Körner der polarisierbaren Füllkörper mit einer Poly¬ merschicht umgeben (z.B. aus Polyvinylpirrolidon, Polyvinylpirrolidon, Polystyrol-Divinylbenzol usw.) oder in Kegelform hergestellt werden, z.B. in Form von Kegeln aus vernetztem Polyvinylalkohol mit darin eingeschlossenem Pulver aus ferroelektrischer Keramik im Bereich der Masse-Verhältnisse von 1 : 4 bis 1 : 12.

Die besten Ergebnisse lieferten Füllkörper mit einem Korndurchmesser im Bereich von 0,1 mm bis 0,8 mm.

Beispiel 4

Bei Beibehaltung der Bedingungen des Beispiels 1 wurde bei Verwendung von ferroelektrischer Keramik mit einem Molekulargewicht M = 10.000 g/Mol, einge¬ schlossen in eine 1000 Ä starke Schicht aus Polyvinyl¬ pirrolidon, die Variante eines havariemäßigen Aussto¬ ßes von E-Coli M-17 mit einer Konzentration 2,2*10 ⁹ KbE (Koloniebildende Einheiten) / ml in ein natürli¬ ches Wasserbecken für Abwasser imitiert.

Nach der Reinigung bei E = 150 V/cm bei einem spezifi¬ schen Volumendurchsatz von 1 h ^_1 wurden in den Proben keine E-Coli mehr gefunden, was unter diesen Bedingun¬ gen von der vollständigen Reinigung des Wassers von Mikroorganismen zeugt.

Beispiel 5

Es wurde die Eignung des erfindungsgemäßen Trennpro¬ zesses von Zellen und molekularen Komponenten für die automatisierte biochemische Analyse untersucht, die bekanntlich eine hohe Reproduzierbarkeit dieses Pro¬ zesses voraussetzt.

Es wurden Modellsuspensionen getrennt, die aus E-Coli M-17 (10 ⁹ Kbe/ml) und Eiweiß (Ex-Albumin) bestehen (5 mg/ml) . Trennbedingungen: Füllkörper - kugelförmige Teilchen (Durchmesser 0,5 mm) aus Polyvinylalkohol mit eingeschlossener ^' ferroelektrischer Keramik im Masse-Verhältnis 1 : 8; Feldstärke 50 V/cm; Kolonnen¬ länge 270 mm; Durchflußgeschwindigkeit 0,15 cm/sec; Probenvolumen 0,5 ml; Lösungsmittel - destilliertes Wasser, 0,1-molarer Phosphatpuffer auf dem Hinter¬ grund von 0,5-molarer Null-Lösung (pH = 8,5); Ausbeu¬ te an Zellen: ca. 93 %.

Beispiel 6

Trennbedingungen analog zu Beispiel 5 mit der Ausnah¬ me, daß als Füllkörper Körner (mittlerer Durchmesser 0,25 mm) aus nichtmodifizierter ferroelektrischer Keramik verwendet wurden; Polyvinylalkohol : ferro¬ elektrischer Keramik im Masse-Verhältnis 1 : 12; Zellausbeute: 50 %.

In Fig. 1 ist die Ausbeute von E-Coli M-17 grafisch dargestellt bei Trennung in einer Säule mit: 1 - Po- lyvinylalkoholkörner mit eingeschlossenem Pulver aus ferroelektrischer Keramik; 2 - ferroelektrische Kera¬ mik.

Beispiel 7

Es wurde die Trennung des Grippe-Virus A/Texas (1024 G E/0,2 ml) und Ballast-Eiweiß in virenenthaltender Flüssigkeit von Hühnerembryos vorgenommen. Die Trenn¬ bedingungen sind analog denen des Beispiels 5, die Virusausbeute betrug 83 %, der Reinigungsgrad bezüg¬ lich des Eiweißes betrug mehr als das 40fache (0,05 mg/ml Eiweiß in der Virusfraktion anstelle 2,1 mg/ml in der Ausgangssubstanz) , die Eiweißausbeute in der Ballastfraktion betrug 93 %.

Beispiel 8

Die Trennbedingungen sind analog denen des Beispiels 7, mit der Ausnahme, daß als Füllkörper Körner von nichtmodifizierter ferroelektrischer Keramik mit einem mittleren Durchmesser von 0,25 mm verwendet werden. Die Virusausbeute betrug 53 %, der Reinigungs¬ grad etwa das 20fache (0,1 mg/ml Eiweiß in der Virus¬ fraktion) . Die Eiweißausbeute in der Ballastfraktion betrug 80 %.

Beispiel 9

Es wurde die Trennung von Bestandteilen des Blutes und Eiweiß des Plasmas aus Zitratblut vorgenommen mit der Ausnahme, daß der pH-Wert des zweiten Eluenten 7,5 betrug. Die Trennbedingungen sind analog zu Bei-

spiel 5. Die Eiweißausbeute betrug 96 %, die Ausbeute an Zellmasse 78 %, die Reinigung des Eiweißes von Zellen das 68fache.

Beispiel 10

Es wurde die Trennung der Fermentlösung von Endo- nuklease aus Smarcesenes in zwei Fraktionen vorgenom¬ men: eine Eiweißfraktion und eine niedermolekulare Fraktion, die Zucker, Aminosäuren und Salze enthält. Trennbedingungen: Füllkörper - kugelförmige Körner mit einem Durchmesser von 0,1mm, Polyvinylalkohol und ferroelektrische Keramik im Masse-Verhältnis 1 : 8, Feldstärke des elektrischen Feldes 150 V/cm, Säulen¬ länge 450 mm, Strömungsgeschwindigkeit 0,15 cm/sec, Probenvolumen 1,0 ml, Eluent - destilliertes Wasser, 0,1-molarer Phosphat-Puffer mit pH = 7,4.

Die Ausbeute an Endonuklease lag bei 85 %, die Reini¬ gungsleistung bezüglich der niedermolekularen Verbin¬ dungen betrug das 530fache.

Beispiel 11

Es wurde die Trennung einer Suspension von Zellen E-Coli M-17 (10 ¹⁰ Kbe/ml) und Eiweiß (5 mg/ml) vorge¬ nommen. Die Trennbedingungen sind wie im Beispiel 5, mit der Ausnahme, daß die elektrische Feldstärke 5 V/cm beträgt. Die Zellausbeute liegt bei 98 %. Wäh¬ rend jedoch im Beispiel 5 der Eiweißgehalt in der Zellfraktion 0,06 mg/ml betrug (Reinigungseffekt nahezu das lOOfache) , so hat sich im vorliegenden Fall die Eiweißbeimengung auf 0,15 mg/ml erhöht (d.h. der Reinigungseffekt hat sich um das 3fache ernied¬ rigt und beträgt nur noch das 30fache) , die Beimen-

gung von Zellen in der Eiweißfraktion für das Bei¬ spiel 1 betrug 3 %, im vorliegenden Beispiel 12 %. Die Eiweißausbeute liegt bei 100 %.

Beispiel 12

Trenngegenstand und Trennbedingungen entsprachen Beispiel 11. Die Feldstärke betrug 250 V/cm. Zellaus¬ beute ist 90 %, Reinigungseffekt der Zellen vom Eiweiß das 80-fache. Die Beimengung von Zellen in der Eiweißfraktion liegt bei 1,1 %. Die Eiweißausbeute beträgt 95 %.

Beispiel 13

Gegenstand und Bedingungen des Trennprozesses wie im Beispiel 11. Feldstärke war 500 V/cm; Zellausbeute 53 %, Reinigungseffekt der Zellen vom Eiweiß das 40-fache. Beimengung von Zellen in der Eiweißfraktion weniger als 1 %. Eiweißausbeute 75 %.

Beispiel 14

Es erfolgte die Trennung einer Suspension aus leben¬ den und toten Zellen von E-Coli M-17 (50 % und 50 %) und von Eiweiß (5 mg/ml) , d.h. von drei Komponenten, die in der Säule zurückgehalten werden. Die Trennbe¬ dingungen waren wie im Beispiel 12. Die Suspension wurde in drei Fraktionen getrennt. Die Ausbeute an lebenden Zellen betrug 89 %, die Ausbeute an toten Zellen 95 % und die Eiweißausbeute 95 %. Die Beimen¬ gung von toten Zellen in der Franktion der lebenden Zellen lag bei 4 %. Die Beimengung der Zellen in der Eiweißfraktion betrug ca. 2 %.

Beispiel 15

Es wurde die Trennung einer Suspension aus lebenden und toten Zellen von E-Coli M-17 (50 % und 50 %) und von Eiweiß (5 mg/ml) durchgeführt. Trennbedingungen waren wie im Beispiel 8. Die Ausbeute an lebenden Zellen betrug 48 %, an toten Zellen 57 % und bei Eiweiß 84 %. Die Beimengung von lebenden Zellen in der Fraktion der toten Zellen betrug 16 %; die Beimen¬ gung der toten Zellen in der Fraktion der lebenden Zellen 23 %. Die Beimengung der Zellen in der Eiwei߬ fraktion lag bei 16,7 %.

Die Reproduzierbarkeit des Prozesses wurde wie folgt berechnet:

a b k _a = , k _b =

A S _a ΔS _b

wobei gilt

a, b - Mittelwert aus den Messungen in % a, Δb - Fehler der Einzelmessungen in % S _a , Λ S _j - - mittlerer quadratischer Fehler der einzelnen Messungen in % ^a _» ^b ~ Koeffizienten, die die Repro¬ duzierbarkeit des Prozesses charakterisieren

Berechnung der Reproduzierbarkeit des Prozesses nach Kurve 1 (Fig. 1)

a = 92 %, Δ S _a = 1,44 %, k _a = 64

Berechnung der Reproduzierbarkeit des Prozesses nach Kurve 2 (Fig. 1)

b = 47 %, A S _b = 1,12 %, k _b = 42 k _a /k _b = 1,54

Die Reproduzierbarkeit des Prozesses hat sich um das 1,5-fache erhöht.

Die Anwendung der Erfindung in der Variante der Bei¬ spiele 6 bis 15 gestattet es, den Trenngrad flüssiger Biopräparate, die Zellen und biologische Makromolekü¬ le enthalten, um 50 % zu erhöhen und ihre Verluste durch Erniedrigung der Eigensorption um 5 bis 10 % zu senken sowie die Reproduzierbarkeit des Fraktionspro¬ zesses (des elektrochromatografischen Prozesses) um das l,5fache zu erhöhen.

Mit dem Ziel der Einbeziehung von ionisierten Kompo¬ nenten als stark polarisierbare Füllkörper in die Reinigungsprozesse oder die Fraktionierung können Körner von Ionenaustauschermaterial oder von funktio¬ nal hochaktiven Sorbenten benutzt werden, deren Dipolmoment durch die polarisierte elektrische Doppel¬ schicht erzeugt wird.

Die Überlagerung eines äußeren elektrischen Feldes verschiebt das Sorptionsgleichgewicht in Richtung erhöhter Konzentration der adsorbierten Phase, d.h. vergrößert die Sorptionskapazität der Füllkörper in bezug zu den ionisierten Komponenten.

Das wiederum erhöht die Dichte der elektrischen Dop¬ pelschicht und folglich die Polarisierbarkeit der Körner. Auf diese Weise vergrößert sich die Kapazität der Elektrosorption bezüglich der Heteroko ponenten (Mikroben und andere fremdartige Einschlüsse) .

Die Wegnahme des Feldes führt zur Erniedrigung der

Sorptionskapazität von derartigen Füllkörpern und kann, wie auch in oben betrachteten Fällen, für die Regenerierung der Füllkörper genutzt werden.

Die Effektivität der vorliegenden Modifikation des Verfahrens wird durch die folgenden Beispiele illu¬ striert.

Beispiel 16

Durch die Säule (siehe Beispiel 1) , gefüllt mit Granulat des Ka Ionenaustauschers K 4-8 in H ⁺ -Form wurde eine Lösung gefördert, die 100 μg/ml CaCl ₂ und 10 ⁹ Kbe/ml Bakterien E-Coli K-12 enthielt.

Bei Anlegen des äußeren Feldes mit E = 5 V/cm am A ^l sgang der Säule erfolgte die Senkung der Ionenkon¬ zentration Ca ²⁺ um das lδfache und das vollständige Zurückhalten der Zellen E-Coli K-12.

Beispiel 17

Durch die Säule, die wie im Beispiel 1 mit Füllkörper¬ körnern des Sorbenten "sephardes G-15" ("Pharmacia", Schweden) gefüllt ist, wurde eine Suspension aus Hefezellen Sach. cerevisiae mit der Konzentration 3 x 10 ⁸ Kbe/ml gefördert, die 30 μg/ml FeCl ₃ enthält. Beim Anlegen eines elektrischen Feldes mit der Feld¬ stärke E = 40 V/cm ist die Ionenkonzentration des Eisens im Filtrat bis auf ein Niveau 1 - 2 μg/ml gefallen. Die Konzentration der Hefeteilchen ist dabei ungefähr um den Faktor 10 ⁶ gefallen.

Beispiel 18

Durch die Säule (siehe Beispiel 1) , die mit einem kombinierten Füllkörper auf der Grundlage von ferro¬ elektrischer Keramik (M = 10.000) gefüllt ist, wurde Abwasser aus dem städtischen Kanalisationssystem geleitet.

Am Ablauf wurde der Gehalt an Mikroben-Kbe und Phosphaten kontrolliert, deren Ausgangsniveaus 3 x 10 ⁷ Kbe/ml und 11 mg/1 betrugen. Bei Anlegen eines elektrischen Feldes mit einer Feldstärke im Bereich von 10 bis 50 V/cm ist die Konzentration der Mikroor¬ ganismen auf Null gesunken, das Niveau der Phosphate bis auf 0,2 mg/1.

Die angegebene minimale elektrische Feldstärke von 1 V/cm gewährleistet eine effektive Reinigung der Flüssigkeit von fremdartigen Komponenten, z.B. Wasser von verunreinigender biologischer Substanz bei einer Strömungsgeschwindigkeit des flüssigen Mediums von 0,5 m/h bis 1,5 m/h. Bei höheren Strömungsgeschwindig¬ keiten oder besonders hohen Reinheitsanforderungen muß die elektrische Feldstärke erhöht werden.

Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, zu Beginn des Trennprozesses, insbesondere in den ersten 10 Minuten, eine elektrische Feldstärke anzulegen, die den normalen Betriebswert um ein Mehrfaches über¬ steigt. Dadurch wird bewirkt, daß zu Beginn des Arbeitsprozesses auf den Teilchen der Schüttschicht die Bildung stark polarisierbarer adsorbierender Strukturen beschleunigt wird, die in der Folgezeit deren intensives Wachstum auch bei geringeren Feld¬ stärken fördern.

Die Beispiele 1 bis 3 und 18 wurden mit Hilfe einer zylinderförmigen koaxialen Elektrodenzelle reali¬ siert.

Die Prozesse, die in den Beispielen 4 bis 15 beschrie¬ ben sind, wurden mit einem Behälter mit drei Kammern realisiert.

Die Beispiele 16 und 17 wurden in Zellen mit Platten¬ elektroden realisiert.

Der konstruktive Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrich¬ tung soll im folgenden näher erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 2 den Längssch- :t einer als zylinderförmige koaxiale Ele odenzelle ausgebildeten Vor¬ richtung

Fig. 3 den Längsschnitt einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit zwei Elektrodenkammern und einer dazwischen angeordneten Arbeitskammer

Fig. 4 die schematische Darstellung einer säulenarti¬ gen erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Trennen flüssiger Medien.

Bei der in Fig. 2 dargestellten Elektrodenzelle ist deren innere Behälterwand 2 aus elektrisch leitfähi¬ gem Material ausgeführt und mit der Stromquelle 8 ver¬ bunden und ist im Behälter koaxial eine Elektrode 10 angeordnet, die vom Behälter und von den Gittern 5, 6 isoliert ist, wobei sich zwischen den Gittern 5, 6 Granulate aus ferroelektrischer Keramik befin¬ den.

Die Vorrichtung besteht aus dem zylinderformigen Behälter 1 mit einer metallischen Innenwand 2 (Kato¬ de) , einem Stutzen 3 (oben) und einem Stutzen 4 (unten) sowie den Gittern 5 und 6. Der Behälter 1 ist mit einem Schutzmantel 7 umgeben und die metallische Innenwand 2 mit der Stromquelle 8 verbunden. Inner¬ halb des Behälters 1 ist isoliert die Elektrode 10 (Anode) angebracht, die mit der Stromquelle 8 verbun¬ den ist.

Der Innenraum 11 des Behälters 1 ist mit Trägermateri¬ al ausgefüllt, das zwischen den Gittern 5 und 6 ange¬ ordnet ist.

Die durchgeführten Untersuchungen haben gezeigt, daß sich die besten Ergebnisse mit einer Zentralelektrode (Anode) aus platiniertem Titandraht und einer Katode aus Titan-Zirkonium-Legierung erzielen lassen.

Die Vorrichtung funktioniert folgendermaßen:

Die Vorrichtung wird an die Stromquelle 8 so ange¬ schlossen, daß die metallische Innenwand 2 als Katode und die Zentralelektrode 10 als Anode fungiert. Das elektrostatische Feld kann beim Durchpumpen des zu behandelnden flüssigen Systems und/oder bei der Desorption angelegt werden. Durch das aufgebaute elek¬ trische Feld werden die ferroelektrischen Keramikkör¬ ner polarisiert und die an der Oberfläche der Füll¬ körper adsorbierten Erdölprodukte in die Waschlösung ausgetragen.

Durch den Stutzen 3 wird mit einer an sich üblichen Pumpe das zu reinigende oder zu fraktionierende homogene oder heterogene flüssige System eingebracht. Es durchströmt die im Innenraum 11 angeordneten Füllkörper und läuft durch den Stutzen 4 gereinigt

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bzw. ohne die abgetrennte Fraktion wieder ab. Im Fall der Regenerierung kann durch den Stutzen 4 die Wasch¬ lösung eingebracht werden.

Bei der in Fig. 3 dargestellten Variante der Vorrich¬ tung ist der Behälter 1 quaderformig ausgebildet und ist ein 3-Kammersystem vorgesehen, bestehend aus den Elektrodenkammern 13 und 14 sowie der Arbeitskam¬ mer 15, in der Füllkörper, hier ferroelektrische Keramik, angeordnet sind. In diesem Fall müssen die Elektrodenkammern 13 und 14 mit Elektrolytlösungen beschickt werden, die zweckentsprechend Puffereigen¬ schaften haben sollten.

Die Elektrodenkammern 13 und 14 sind mittels der semipermeablen Wände 12, die aus an sich bekannten Materialien bestehen, von der Arbeitskammer 15 ge¬ trennt. Die semipermeablen Wände 12 verhindern das Eindringen von großen Molekülen und Kolloidteilchen in die Elektrodenkammern 13 und 14. Sie verhindern zugleich , daß sich die in diesen Kammern vollziehen¬ den elektrolytischen Prozesse auf das durchströmende flüssige System und dessen Behandlung hinderlich auswirken. Elektrolyseprodukte aus den Elektrodenkam¬ mern 13 und 14 könnnen nicht in die Arbeitskammer 15 gelangen. Zugleich werden die Bildung eines quer gerichteten elektrischen Stromes im Innenraum der Ar¬ beitskammer 15 und die Polarisierung der ferroelektri- schen Keramik 16 gewährleistet.

Außerdem ermöglichen die semipermeablen Wände 12 durch Diffusionshemmung die Möglichkeit der getrenn¬ ten Entnahme von "Anoden"- und "Katoden"-Wasser, das eine Reihe spezifisch nützlicher Eigenschaften hat (biologisch aktiv, bakterizid u.a.).

In einer Reihe von Fällen erweist es sich als vorteil¬ haft, die Spannung der elektrischen Versorgungsquelle herabzusetzen (z.B. mit dem Ziel besserer Bedingungen für den Arbeitsschutz beim Betrieb der Vorrichtung) oder die Kontaktfläche der Lösung mit der Elektro¬ denoberfläche zu vergrößern (z.B. für die zusätzliche Realisierung von Reaktionen bestimmter Komponenten an den Elektroden zwecks deren Überführung in den gasför¬ migen Zustand (Chlorionen in gasförmiges Chlor, Nitrate in gasförmige Oxide usw.) oder in einen wenig aktiven Zustand, in dem sie weniger toxisch sind (z. B. toxische Ionen von Schwermetallen in neutrale Atome) . In diesen Fällen kann die Vorrichtung mit mehr als zwei Elektroden ausgeführt werden. Die Elek¬ troden können zylindrisch (Fig. 2) , platten- oder stabförmig (Fig. 3) ausgebildet sein und einen massi¬ ven, gitterförmigen, netzförmigen oder perforierten Aufbau aufweisen.

Die in Fig. 4 als Elektroadsorptionssäule 28 darge¬ stellte erfindungsgemäße Vorrichtung besteht aus dem Behälter 29, in dem die Elektroden 33 sowie zusätz¬ lich eine Elektrodenzelle 30 (elektrochemische Ein¬ gangszelle) und eine Elektrodenzelle 31 (elektrochemi¬ sche Ausgangszelle) sowie die polarisierbaren Füllkör¬ per 32 angeordnet sind. Letztere können aus einem oder verschiedenen Materialien mit unterschiedlicher Größe der Teilchen, die auch eine faserartige Struk¬ tur aufweisen können, bestehen. Außerdem kann die Schichtdicke der jeweiligen Füllkörper 32 insbesonde¬ re in Abhängigkeit von der Art des Füllkörpermateri¬ als, seiner Struktur und der Art der Verunreinigungen sowie des angestrebten Reinigungseffektes und der Produktivität der Vorrichtung unterschiedlich dimen¬ sioniert sein. Oberhalb der Elektroden 33 können zu¬ sätzliche Schichten von Füllkörpern angeordnet sein, wenn spezielle Reinigungsaufgaben beispielsweise in

bezug auf weitere zu entfernende Komponenten vorgese¬ hen sind. Wesentlich ist, daß die Füllkörper 32 nicht mehr als 95 % des Innenraumes des Behälters 29 aus¬ füllt. Der restliche nicht ausgefüllte obere Teil 34 des Innenraumes des Behälters 29 dient als spezielles Reservoir für das Regenerieren der polarisierbaren Füllkörper 32 wenn entgegengesetzt zur Durchströmrich¬ tung des zu reinigenden Mediums gespült werden muß.

An den säulenförmigen Behälter 29 sind die Rohrleitun¬ gen 35, 36, 37, 38 angeschlossen. Mittels der Rohrlei¬ tung 35 und dem Ventil 39 ist der Behälter 29 mit der Vorlage 40, in der sich das zu reinigende Medium befindet, verbunden. Die Rohrleitung 36 mit dem Ventil 41 ist oberhalb des polarisierbaren Füllkörper¬ materials 32 am Behälter 29 angeordnet und stellt die Verbindung zum Behälter 42 her, der die gereinig¬ te Flüssigkeit aufnimmt. Die Rohrleitung 37 mit dem Ventil 45 verbindet den Behälter 29 mit dem Behälter 46.

Die Polarisierung der Füllkörper 32 erfolgt wie be¬ reits beschrieben.

An den oberen Teil des Behälters 29 ist über die Rohrleitung 38 und das Ventil 48 eine zusätzliche Vorlage 47 mit Regenerierlösung angeschlossen. In Ab¬ hängigkeit von den Eigenschaften der zu reinigenden Flüssigkeiten und dem Charakter der Verunreinigungen kommen Lösungen von Tensiden, organischen Lösungsmit¬ teln, Laugen, Säuren usw. für spezielle Regenerieran¬ forderungen zum Einsatz.

Mittels der Elektrodenzellen 30 und 31 können Flüssig¬ keiten von Komponenten und Stoffen gereinigt werden, die sich durch Lösung ionisieren lassen. Auf dem Wege

der Elektrooxidation (z.B. Phenol) oder durch Elektro- reduktion (z.B. Nitril, Formaldehyd) ist es möglich, sie aus dem zu reinigenden Medium zu entfernen.

Die Elektrodenzellen 30 und 31 sind mit Anoden ausge¬ stattet, die sich flächenmäßig deutlich von den Katoden unterscheiden. Sie sind daher für die pH-Wert-Korrektur wässriger Systeme besonders vorteil¬ haft. Mittels der Elektrodenzelle 30 am Zulauf des Be¬ hälters 29 ist es möglich, durch Anodenlösung auch Ionen zu erzeugen, (z.B. Eisen- und Aluminiumionen), die dann als Koagulanten wirksam werden. Das verbes¬ sert nicht nur die nachfolgende Reinigung, sondern spart auch Elektroenergie. Es kann dabei vorteilhaft sein, die Zellen mit Gasfallen auszustatten und die Elektrodenzelle 30 außerhalb des Behälters 29 anzuord¬ nen.

Eine herausragende Besonderheit der Vorrichtung gemäß Fig. 4 besteht darin, daß neben dem Behälter 32 mit den Elektroden 29, den im elektrischen Feld polari¬ sierbaren Füllkörpern 32 und dem Vorhandensein eines nicht mit Füllköpern gefüllten Hohlraumes 34 für die Spülung des polarisierbaren Materials, die Durchlaßfä¬ higkeit der Rohrleitung 37 die Durchlaßfähigkeit des Zulaufes 35 mindestens um das l,5fache übertrifft.

Die Vorrichtung arbeitet folgendermaßen:

In den Behälter 29 werden die polarisierbaren Füllkör¬ per 32 eingebracht, an die Elektroden 33, 43, 44 wird Spannung angelegt, wonach die zu reinigende Flüssig¬ keit durch Öffnung des Ventils 39 und die Rohrlei¬ tung 35 in den unteren Teil des Behälters 29 ein¬ tritt. Nachdem sie die Elektrodenzelle 30, die oder den polarisierbaren Füllkörper 32 sowie die Elektro-

denzelle 31 durchflössen und vollständig oder teil¬ weise den oberen Teil 34 des Behälters 29 gefüllt hat, fließt sie durch die Rohrleitung 36 als gereinig¬ tes Medium in den Behälter 42 ab. Die im Flüssigkeits¬ system enthaltenen Beimengungen werden bei der Bewe¬ gung durch die polarisierbaren Füllkörper 32 unter dem Einfluß des elektrischen Feldes koagulieren und durch die polarisierten Füllkörper 32 adsorbiert.

Zur Regenerierung der Füllkörper 32 wird in der Regel die Elektroversorgung abgeschaltet oder werden die Elektroden 33, 43, 44 umgeschaltet und das Ventil 45 der Rohrleitung 37 geöffnet. Dabei hört dank der Dif¬ ferenz in der Durchlaßfähigkeit der Rohrleitungen 35 und 37 die Flüssigkeit auf, durch die Rohrleitung 36 zu strömen. Sie fließt durch die Rohrleitung 37 und das Ventil 45 in den Behälter 46.

Die polarisierbaren Füllkörper 32 werden anschließend von adsorbierten Verunreinigungen gereinigt. Dies ge¬ schieht durch Auswaschen der Schmutzteilchen von der Oberfläche der Füllkörper 32. Durch Umpolen der Elektroden 33 ändert sich die Polarität der Füllkör¬ per 32 oder sie wird durch Abschalten des elektri¬ schen Stromes aufgehoben mit der Folge, daß die adsorbierten Verunreinigungen von der Oberfläche der Füllkörper 32 abgestoßen werden. Beim Durchspülen der polarisierbaren Füllkörper mit Regenerierlösung aus dem Behälter 47 oder einfach durch den Rückfluß der im Behälter 29 befindlichen gereinigten Flüssigkeit werden die zurückgehaltenen Beimengungen ausgewaschen und gelangen in den Behälter 46. Die Regenerierlösung im Behälter 47 kann zum Zweck eines höheren Reinigung¬ seffektes Detergentien oder andere Reinigungsmittel enthalten, auf der Grundlage verschiedener Lösungsmit¬ tel beruhen oder eine erhöhte Temperatur besitzen.

Wenn es erforderlich ist, die Verluste an gereinigter Flüssigkeit beim Spülen zu senken, wird beim Spülen vor dem Öffnen des Ventils 45 das Ventil 39 geschlos¬ sen.

Der weitere Betrieb der Vorrichtung (der folgende Zyklus der Trennung oder Reinigung) erfolgt durch Schließen des Ventils 45 und bei Notwendigkeit durch Öffnen des Ventils 39, falls es geschlossen war.

Das angegebene Arbeitsschema und die Regenerierung der polarisierbaren Füllkörper 32 ermöglichen insbe¬ sondere die Reinigung von Wasser mindestens im Verlau¬ fe von zwei Jahren ohne Auswechseln der Füllkörper.

Bei der industriellen Erprobung einer Anlage zeigte sich, daß bei kleinen Abmessungen die Reinigung einer Flüssigkeit mit einer Produktivität von 2 bis 200 1/h möglich ist, bei vollständiger Entfernung von mechanischen Beimengungen sowie beliebiger organi¬ scher Teilchen, darunter von Mikroorganismen und Erdölprodukten. Außerdem kann die Anlage bei Notwen¬ digkeit leicht auf ein Betriebsregime umgestellt werden, bei dem anodisches und katodisches Wasser erzeugt wird, das auf Organismen bestimmte physiologi¬ sche Effekte ausübt.

Wie aus den beschriebenen Beispielen und Fig. 2, 3 und 4 hervorgeht, sind das vorgeschlagene Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung in ihren beschriebenen Ausführungsformen einfach handhab¬ bar und universell anwendbar. Sie sind für das Abtren¬ nen von Komponenten verschiedener Art aus Wasser und anderen flüssigen Medien geeignet. Sie können unter anderem angewendet werden für die Reinigung von Wasser auf Schiffen, die Trinkwasseraufbereitung, für

die Reinigung von gewerblichen und kommunalen Abwäs¬ sern, die Grundwasserreinigung, in der Biotechnologie sowie die Spaltung von Öl-in-Wasser Emulsionen.

Bezugszeichenaufstellung

1 Behälter

2 metallische Innenwand/Katode

3 Stutzen

4 Stutzen

5 Gitter

6 Gitter

7 Schutzmantel

8 Stromquelle

9 Dichtung

10 Elektrode

11 Innenraum

12 semipermeable Wand

13 Elektrodenkammer

14 Elektrodenkammer

15 Arbeitskammer

16 ferroelektrische Keramik

17 Elektrode

18 Elektrode

19 Stutzen

20 Stutzen

21 Stutzen

22 Stutzen

23 Stützkörper

24 Gehäuse 5 Gitter 6 Gitter 7 Isolator

28 Elektroadsorptionssäule

29 Behälter

30 Elektrodenzelle (elektrochemische Eingangszeile)

Elektrodenzelle (elektrochemische Ausgangszelle) Füllkörper Elektroden oberer Teil des Behälters Rohrleitung Rohrleitung Rohrleitung Rohrleitung Ventil Vorlage Ventil Behälter Elektroden Elektroden Ventil Behälter Behälter Ventil