DE102023128362A1

DE102023128362A1 - Wasserreinigung mit einem elektro-peroxon-verfahren

Info

Publication number: DE102023128362A1
Application number: DE102023128362.6A
Authority: DE
Inventors: Majid Mustafa; Sten Fernerud; Daniel Ragnvaldsson
Original assignee: Chemox I Umea AB; Chemox I Umeaa AB
Current assignee: Chemox I Umea AB; Chemox I Umeaa AB
Priority date: 2022-10-19
Filing date: 2023-10-17
Publication date: 2024-04-25
Also published as: FI20236156A1; SE2251224A1; NO20231103A1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein System und ein Verfahren zur Reinigung von Wasser, das für eine großformatige Wasserreinigung geeignet ist und die Ozonierung in Kombination mit einer in situ elektrochemischen Bildung von Wasserstoffperoxid nutzt, um ein Elektro-Peroxon-Verfahren zu bilden, wobei das Verfahrensdesign ausgebildet ist, um zu einer skalierbaren, effizienten und dauerhaften Wasserreinigung unter Verwendung von Sauerstoff, Wasser und Elektrizität und ohne Zugabe von flüssigem H2O2zu führen. Das System umfasst einen Reaktionsbehälter und eine separate elektrochemische Zelle, wobei die Zelle eine Kathode, eine Anode und einen Festkörperelektrolyten sowie einen Einlass für Reinwasser umfasst.

Description

Technisches Gebiet der Erfindung
Die Erfindung bezieht sich auf das technische Gebiet der Wasserreinigung. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein System und ein Verfahren zur Wasserreinigung, das die Zugabe von Ozon und Wasserstoffperoxid umfasst, die durch ein Verfahren erzeugt werden, das Elektrizität, Sauerstoff und sauberes Wasser umfasst.
Hintergrund
Das Auftreten von Mikroschadstoffen (MP), einschließlich Pharmazeutika, Bioziden, Körperpflegeprodukten und Industriechemikalien, in Abwässern ist eine große Herausforderung, die eine potentielle Bedrohung für aquatische Ökosysteme sowie für den Menschen darstellt. Das Auftreten von MP in verschiedenen Wassersystemen, einschließlich Oberflächenwasser, Meerwasser und Trinkwasser (wenn Oberflächenwasser als Quelle für Trinkwasser verwendet wird), hängt hauptsächlich mit dem Austritt aus Abwasserbehandlungsanlagen (WWTPs) zusammen. Dies liegt daran, dass herkömmliche WWTPs nicht dafür ausgelegt sind, MP zu entfernen. Die geringe Konzentration und die vielfältige Natur von MP erschweren ihre Entfernung in WWTPs. Es besteht ein zwingender Bedarf an einem Behandlungsverfahren, das in der Lage ist, MP komplexer und vielfältiger Natur aus Abwässern und anderen kontaminierten Gewässern zu entfernen.
Fortgeschrittene Oxidationsverfahren (AOPs) haben in den letzten zwei Jahrzehnten aufgrund ihrer Wirksamkeit zur Entfernung von MP in verschiedenen Gewässern an Interesse gewonnen. Ein vorteilhafter AOP ist das Ozonierungsverfahren aufgrund der selektiven Natur von Ozon zur Entfernung von MP und der Möglichkeit, große Mengen an Abwasser zu handhaben. MP werden durch Ozon und Hydroxylradikale (•OH) während der Ozonierung oxidiert. Ozon ist ein selektives Oxidationsmittel und wandelt MP in andere niedermolekulare Verbindungen um, indem es ihre Doppelbindungen und andere elektronenreiche Einheiten selektiv oxidiert. •OH haben ein höheres Oxidationspotential (2,8 eV) als Ozon (2,1 eV) und baut nahezu alle organischen MP, die in dem Wasser vorhanden sind, nicht selektiv mit sehr hoher Rate oxidativ ab. Die Bildung von •OH bei der Ozonierung ist jedoch von der Ozonreaktion mit gelösten organischen Stoffen (DOM) und anderen Wasserbestandteilen abhängig und die Bildung von •OH ist für die Ozonierung oft langsam. Dies führt zu einer schlechten Entfernung von ozonresistenten MP, denen Doppelbindungen oder elektronenreiche Einheiten für einen elektrophilen Ozonangriff fehlen, da diese ozonresistenten MP durch •OH oxidiert werden. Daher ist die Beschleunigung der Bildung von •OH vorteilhaft und erforderlich, um eine bessere Wasserqualität zu erreichen, indem ozonresistente MP entfernt werden.
Für eine effektive Entfernung von ozonresistenten MP kann die Ozonierung auf ein anderes Verfahren, das als Peroxon bezeichnet wird, aufgewertet werden, wobei Wasserstoffperoxid (H₂O₂) zusammen mit Ozon extern bereitgestellt wird, um die Bildung von •OH zu beschleunigen. Die externe Bereitstellung von H₂O₂ ist jedoch nicht immer praktisch möglich, beinhaltet eine riskante Handhabung von flüssigem H₂O₂ und erhöht die Kosten erheblich. Der kontinuierliche Transport von H₂O₂ vor Ort und seine Handhabung sind große Herausforderungen bei der Anwendung. Um diese Herausforderungen zu überwinden, wird ein elektrochemisches fortgeschrittenes Oxidationsverfahren, das als Elektro-Peroxon bezeichnet wird, entwickelt. Bei dem Elektro-Peroxon-Verfahren wird H₂O₂ in-situ elektrochemisch an der Kathode über eine Sauerstoffreduktionsreaktion erzeugt. Erzeugtes H₂O₂ mischt sich homogen in der Lösung und verbessert die Umwandlung von Ozon (durch Reaktion mit ihm) in •OH. Infolgedessen wird die Bildung von •OH beschleunigt, was die Entfernung von ozonresistenten MP verbessert.
Die Entfernung von resistenten MP über eine effektive Bildung von •OH in einem kontinuierlichen industriellen und großtechnischen Elektro-Peroxon-Verfahren erfordert eine korrekte Systemauslegung sowie geeignete Elektrodenmaterialien für eine robuste elektrochemische Erzeugung von H₂O₂, was in früheren Arbeiten fehlte.
US 2020/0055754A1 offenbart ein Reaktionsgefäß, bei dem Ozon vom Boden des Reaktionsgefäßes aus injiziert wird, während vorgeschlagen wird, dass Kathoden- und Anodenelektroden im oberen Teil desselben Reaktionsgefäßes im Hauptwasserstrom platziert werden. Ozongeneratorausfluss, der aus Ozon und Sauerstoffgas (O₃/O₂) besteht, kann unter Verwendung einer Strömungsplatte unterhalb des Elektrolyseelektrodenpaares zur Erzeugung von H₂O₂ zu den Elektroden geleitet werden.
Die in-situ elektrochemische Massenerzeugung von H₂O₂ im Elektro-Peroxon-Verfahren ist ein Schlüsselschritt, der von der Massenübertragung von O₂ zur Kathode für die Sauerstoffreduktionsreaktion abhängt. In einer traditionellen Umgebung mit eingetauchten Elektroden werden die Elektroden direkt in Elektrolyte eingetaucht und diese Elektrolyte werden mit Sauerstoffgas (im Reaktionsgefäß) belüftet. Aufgrund der geringen Löslichkeit von Sauerstoff in Wasser ist die Massenübertragung von Sauerstoff zu den eingetauchten Elektroden gering, was wiederum die erreichbare Stromdichte auf einige mA/cm² und die begrenzte Erzeugung von H₂O₂ begrenzt. Eine Möglichkeit, dieses Problem zu lösen, ist die Verwendung einer elektrochemischen Zelle mit kleinem Wasserstrom (getrennt vom Hauptwasserstrom), die eine hohe Massenübertragung von O₂ zur Kathode ermöglicht, beispielsweise unter Verwendung von Gasdiffusionselektroden. Eine hohe Massenübertragung von Sauerstoff zur Kathode ermöglicht es, hohe Stromdichten für die Sauerstoffreduktionsreaktion zu verwenden, wiederum kann eine hohe Konzentration von H₂O₂ in einem kleineren Flüssigkeitsvolumen erreicht und in den Hauptwasserstrom injiziert werden.
(Yang Li, Yixin Zhang, Guangshen Xia, Juhong Zhan, Gang Yu, Yujue Wang. 2021, Evaluation of the technoeconomic feasibility of electrochemical hydrogen peroxide production for decentralized water treatment. Front. Environ. Sci. Eng. 2021, 15(1): 1) verwendeten einen ähnlichen Ansatz mit Gasdiffusionselektroden und erreichten eine Stromdichte von bis zu 400 mA/cm². Diese Studie verwendete flüssigen Elektrolyten in einer elektrochemischen Zelle zur Erzeugung von H₂O₂.
EP 3430182 B1 offenbart eine elektrochemische Zelle mit verbesserten Eigenschaften zur Erzeugung von H₂O₂ und schlägt vor, das H₂O₂ mit Ozonzugabe einzubauen. Es werden jedoch keine Informationen über das Reaktordesign einschließlich der Abwasserströme zur Behandlung und Ozon- und Wasserstoffperoxidzugabe bereitgestellt.
KR 20190120837 A offenbart eine Elektro-Peroxon-basierte Wasserbehandlungsvorrichtung. Das Abwasser wird zuerst mit Ozon gemischt und dann in einem Reaktor behandelt, der Elektroden umfasst, um Wasserstoffperoxon zu erzeugen, und dann wieder in das System zirkuliert.
US 2020262723 A1 offenbart ein Verfahren zum Entfernen von Verunreinigungen in einem Wasserbehandlungsverfahren durch Einführen einer Mischung aus O2- und O3-Gas in eine Ozonreaktionssäule, in der Elektroden am Boden angeordnet sind.
Zusammenfassung der Erfindung
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, mindestens einige der Probleme im Stand der Technik zu vermeiden und ein System und ein Verfahren zur Reinigung von Wasser bereitzustellen, die große Wasserströme handhaben können.
Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf ein System und ein Verfahren zur Reinigung von Wasser, das für eine großformatige Wasserreinigung geeignet ist und die Ozonierung in Kombination mit einer in situ elektrochemischen Bildung von Wasserstoffperoxid nutzt, um ein Elektro-Peroxon-Verfahren zu bilden, wobei das Verfahrensdesign ausgebildet ist, um zu einer skalierbaren, effizienten und dauerhaften Wasserreinigung unter Verwendung von Sauerstoff, Wasser und Elektrizität und ohne Zugabe von flüssigem H₂O₂ zu führen.
Gemäß einem ersten Aspekt wird ein Wasserbehandlungssystem zur Reinigung von Wasser bereitgestellt, wobei das System umfasst:

a. einen Reaktionsbehälter 110, umfassend
- - einen ersten Behältereinlass 113 für zu behandelndes Wasser, um in den Reaktionsbehälter 110 einzutreten,
- - einen ersten Behälterauslass 111 für behandeltes Wasser, um aus dem Reaktionsbehälter 110 auszutreten,
- - einen zweiten Behälterauslass 112 für Gas, um aus dem Reaktionsbehälter 110 auszutreten, wobei sich der zweite Auslass 112 in einem oberen Teil des Reaktionsbehälters 110 befindet, und
- - einen zweiten Behältereinlass 121 zum Zuführen von O₃ in den Reaktionsbehälter 110, wobei sich der zweite Einlass 121 in einem unteren Teil des Reaktionsbehälters 110 befindet,
b. eine Hauptwasserleitung 150, die von einem Haupteinlass 118 für zu behandelndes Wasser zu dem ersten Behältereinlass 113 führt, und
c. eine elektrochemische Zelle 130 zur H₂O₂-Erzeugung, umfassend mindestens eine Kathode, mindestens eine Anode und einen Festkörperelektrolyten, wobei die elektrochemische Zelle 130 einen Sauerstoffeinlass 131 und einen Reinwassereinlass 132 aufweist, wobei die elektrochemische Zelle 130 angepasst ist, um mit einer Stromquelle 133 verbunden zu werden, und wobei die elektrochemische Zelle einen Auslass aufweist, der es der elektrochemischen Zelle 130 ermöglicht, durch mindestens einen H₂O₂-Einlasspunkt 115 in Fluidverbindung mit dem Reaktionsbehälter 110 zu stehen.

Gemäß einem zweiten Aspekt wird ein Verfahren zur Reinigung von Wasser bereitgestellt, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:

- Zuführen von sauberem Wasser, Sauerstoff und Elektrizität zu mindestens einer elektrochemischen Zelle 130, wobei die mindestens eine elektrochemische Zelle 130 mindestens eine Kathode, mindestens eine Anode und einen Festkörperelektrolyten umfasst, wodurch H₂O₂ in-situ elektrochemisch erzeugt wird, wenn Sauerstoff eine Sauerstoffreduktionsreaktion an der Oberfläche der mindestens einen Kathode durchläuft,
- Zuführen von Wasser, das H₂O₂ umfasst, von der elektrochemischen Zelle 130 in einen Reaktionsbehälter 110,
- Zuführen von zu behandelndem Wasser in den Reaktionsbehälter 110 durch eine Wasserhauptleitung 150, die durch einen ersten Behältereinlass 113 in den Reaktionsbehälter 110 eintritt,
- Einführen von O₃ in einen unteren Teil des Reaktionsbehälters 110,
- Freisetzen von Gas aus dem Reaktionsbehälter 110 und
- Freisetzen von behandeltem Wasser aus dem Reaktionsbehälter 110.

Ein Vorteil der Verwendung einer elektrochemischen Zelle 130 zur H₂O₂-Erzeugung, die vom Reaktionsbehälter 110 getrennt ist, ist eine verbesserte Fähigkeit, Sauerstoff für die mindestens eine Kathode bereitzustellen und dadurch hohe Stromdichten zu verwenden. Infolgedessen kann eine hohe Konzentration von H₂O₂ in einem kleineren Wasservolumen erreicht werden, bevor es in das zu behandelnde Wasser injiziert wird.
Ein weiterer Vorteil der elektrochemischen Zelle 130, die vom Reaktionsbehälter 110 getrennt ist und einen Reinwassereinlass 132 aufweist, durch den Reinwasser der elektrochemischen Zelle 130 zugeführt wird, ist, dass die H₂O₂-Erzeugung unter Verwendung von Reinwasser stattfindet, wodurch die Bildung von potentiellen toxischen Nebenprodukten vermieden wird, die sich üblicherweise während elektrochemischer Verfahren bilden, wenn z. B. Abwasser als Quelle verwendet wird.
Durch die Verwendung eines Festkörperelektrolyten wird die Handhabung von flüssigen Elektrolyten vermieden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Aspekte und Ausführungsformen werden unter Bezugnahme auf die folgenden Zeichnungen beschrieben, in denen:

1 eine Übersicht einer spezifischen Ausführungsform eines Wasserreinigungssystems ist, bei dem Ozon durch Diffusoren 114 in einen Reaktionsbehälter 110 injiziert wird.
2 eine Übersicht einer spezifischen Ausführungsform eines Wasserreinigungssystems ist, bei dem Ozon durch einen Venturi-Injektor in einen ersten Strömungsweg 151 für Wasser injiziert wird, wobei der erste Strömungsweg 151 eine andere Wasserquelle als die einer Hauptwasserleitung 150 aufweist.
3 eine Übersicht einer spezifischen Ausführungsform eines Wasserreinigungssystems ist, bei dem Ozon durch einen Venturi-Injektor in einen ersten Strömungsweg 151 für Wasser injiziert wird, wobei die Wasserquelle für den ersten Strömungsweg 151 die Hauptwasserleitung 150 für zu behandelndes Wasser ist.
4 eine Übersicht einer spezifischen Ausführungsform eines Wasserreinigungssystems ist, bei dem Ozon durch einen Venturi-Injektor in einen ersten Strömungsweg 151 für Wasser injiziert wird, wobei die Wasserquelle für den ersten Strömungsweg 151 die Hauptwasserleitung 150 für zu behandelndes Wasser ist, und wobei das Wasser, das H₂O₂ umfasst, an einem H₂O₂-Einlasspunkt 115 über einen zweiten Strömungsweg 152 unter Verwendung eines Venturi-Injektors in die Wasserhauptleitung 150 injiziert wird.
5 eine Übersicht einer spezifischen Ausführungsform eines Wasserreinigungssystems ist, bei dem Ozon sowohl durch einen Venturi-Injektor in einen ersten Strömungsweg 151, der in die Hauptwasserleitung 150 eintritt, als auch durch Diffusoren 114, die sich in einem unteren Teil des Reaktionsbehälters 110 befinden, hinzugefügt wird, und wobei das Wasser, das H₂O₂ umfasst, an einem H₂O₂-Einlasspunkt 115 über einen zweiten Strömungsweg 152 unter Verwendung eines Venturi-Injektors in die Wasserhauptleitung 150 injiziert wird.

Ausführliche Beschreibung
Bevor die Erfindung im Detail offenbart und beschrieben wird, versteht es sich, dass diese Erfindung nicht auf bestimmte Konfigurationen, Verfahrensschritte und hierin offenbarte Materialien beschränkt ist, da solche Konfigurationen, Verfahrensschritte und Materialien etwas variieren können. Es versteht sich auch, dass die hierin verwendete Terminologie nur zum Zweck der Beschreibung bestimmter Ausführungsformen verwendet wird und nicht als einschränkend gedacht ist, da der Umfang der vorliegenden Erfindung nur durch die beigefügten Ansprüche und deren Äquivalente begrenzt ist.
Fachleute werden erkennen, dass verschiedene Modifikationen und Variationen an dem System und Verfahren der vorliegenden Offenbarung vorgenommen werden können, ohne vom Umfang der Offenbarung abzuweichen. Andere Ausführungsformen werden Fachleuten aus der Betrachtung der Spezifikation und der Ausübung des hierin offenbarten Systems und Verfahrens ersichtlich sein. Die Merkmale der verschiedenen Ausführungsformen, die kompatibel sind, können auf verschiedene Weisen kombiniert werden, die nicht spezifisch durch Beispiele offenbart werden. Es ist beabsichtigt, dass die Spezifikation und die Beispiele nur als beispielhaft betrachtet werden, wobei ein wahrer Umfang der Offenbarung durch die folgenden Ansprüche und deren Äquivalente angegeben wird.
Es ist anzumerken, dass, wie in dieser Spezifikation und den beigefügten Ansprüchen verwendet, die Singularformen „ein“, „eine“ und „der“ Pluralformen umfassen, solange der Zusammenhang dies nicht klar anders vorgibt.
Wenn nichts anderes definiert ist, sollen alle hierin verwendeten Begriffe und wissenschaftliche Terminologie die Bedeutungen haben, die Fachleute auf dem Gebiet, auf das sich diese Erfindung bezieht, gemeinhin verstehen.
Wie in den Ansprüchen und der Beschreibung verwendet, bezeichnet der Begriff „Reaktionsbehälter“ eine Vorrichtung, in der eine Elektro-Peroxon-Reaktion stattfinden soll. Der Behälter weist ein Volumen auf, in dem Wasser, das Wasserstoffperoxid umfasst, mit O₃ im Wasser reagieren kann. In einigen Ausführungsformen der Erfindung findet eine solche Reaktion auch an Stellen im System außerhalb des Reaktionsbehälters statt.
Wie in den Ansprüchen und der Beschreibung verwendet, bezeichnet der Begriff „elektrochemische Zelle“ eine Vorrichtung, in der H₂O₂ erzeugt wird, mit mindestens einer Kathode und mindestens einer Anode, die mit einer Spannungsversorgung verbunden sind, um einen geeigneten Strom zuzuführen. Die Elektroden werden mit Sauerstoff und Wasser versorgt.
Der Sauerstoff, der der elektrochemischen Zelle zugeführt wird, kann in Form von O₂ (Sauerstoffgas) oder Luft vorliegen. Sauerstoffgas kann bevorzugt sein, da es im Allgemeinen effizienter zu verwenden ist, während Luft bevorzugt sein kann, da es aufgrund der Verfügbarkeit bequem zu verwenden ist.
Der Begriff „Wasserleitung“ oder „Strömungsweg“ bezeichnet einen Weg von verbundenen Volumina, wie etwa die Innenvolumina von Rohren, Kammern und so weiter in einer Vorrichtung, in der Wasser in einer bestimmten Richtung von einem Teil zu einem anderen Teil strömen kann. Beispiele umfassen Rohre, Schläuche und Kammern.
Der Begriff „stromaufwärts“ bezeichnet eine Stelle, die sich in der entgegengesetzten Richtung von der befindet, in der Flüssigkeit strömt, unter Bezugnahme auf die beabsichtigte Richtung von Wasser in dem Strömungsweg. Eine Position stromaufwärts ist im Vergleich zu einer gegebenen Stelle näher an der Quelle der Flüssigkeit und folgt dem Strömungsweg. In dem System gibt es beabsichtigte Wege für Wasser, entlang derer Wasser fließen soll. Ein solcher Weg kann in mehrere Wege unterteilt sein, die sich dann optional wieder in weniger Wege vereinigen können. Stromaufwärts ist immer entgegengesetzt zu der Richtung der Strömung.
Der Begriff „sauberes Wasser“ bezeichnet anderes Wasser als Wasser, das gereinigt werden soll, d. h. das keinen hohen Gehalt an DOC und Verunreinigungen umfasst, die durch das Behandlungsverfahren entfernt werden sollen. Beispiele für sauberes Wasser umfassen DI-Wasser, Trinkwasser, Leitungswasser, entionisiertes Wasser oder hochwertiges Wasser. Die Wasserqualität ist geeigneterweise die von Trinkwasser oder besser.
Die Begriffe „obere“ und „untere“ bezeichnen Stellen im System, wie sie ausgerichtet sein sollen, wenn sich das System in der Verwendungsposition befindet. Ein oberer Teil befindet sich in einer physischen Position vertikal über einem unteren Teil in Bezug auf die Richtung der Schwerkraft.
In einem ersten Aspekt wird ein Wasserbehandlungssystem zur Reinigung von Wasser bereitgestellt, wobei das System umfasst:

Das Platzieren der Elektroden direkt in dem Reaktionsbehälter 110, der ein größeres Volumen als die Elektrolysezelle 130 enthält, würde eine sehr große Kathode oder mehrere Kathoden erfordern, um ausreichend H2O2 für im Wesentlichen hohe Ströme von Industrie- und Vollformatanlagen zu erzeugen. Das Verwenden größerer Elektroden in der Reaktionskammer würde auch die Massenübertragung von Sauerstoff zur Kathode aufgrund der geringen Löslichkeit von Sauerstoff in dem Wasser, somit der geringen Erzeugung von H₂O₂ und der schnellen Verschlechterung von Kathoden, begrenzen. Stattdessen ermöglicht die Verwendung einer separaten elektrochemischen Zelle 130 mit einem kleinen Wasserstrom eine hohe Massenübertragung von Sauerstoff zur Kathode, was die Verwendung von hohen Stromdichten für die Sauerstoffreduktionsreaktion ermöglicht, wodurch eine hohe H₂O₂-Produktionsrate erhalten wird. Eine hohe Konzentration von H₂O₂ kann daher effizient erreicht werden, bevor es in den Hauptwasserstrom injiziert wird. In einem solchen System sind kleine Elektroden ausreichend, um erforderliches H₂O₂ zu erzeugen.
Ein Vorteil des offenbarten Systems ist, dass die elektrochemische Zelle 130, die vom Reaktionsbehälter 110 getrennt ist, einen Einlass 132 aufweist, wo Reinwasser zugeführt werden kann. Die H₂O₂-Erzeugung kann dadurch unter Verwendung von Reinwasser stattfinden, wodurch die Bildung von potentiellen toxischen Nebenprodukten aus elektrochemischen Reaktionen vermieden wird, die sich üblicherweise während elektrochemischer Verfahren bilden, wenn Abwasser als Quelle für die H₂O₂-Erzeugung verwendet wird. Die Verwendung von unreinem Wasser wie Abwasser oder Grundwasser für die H₂O₂-Erzeugung hätte ein viel höheres Risiko, toxische unerwünschte Nebenprodukte zu erzeugen, die aus der Nebenreaktion von Verunreinigungen in dem Wasser resultieren.
Ein weiterer Nachteil der Verwendung von unreinem Wasser ist, dass es Bestandteile enthält, die Oxidationsmittel, einschließlich Wasserstoffperoxid, verbrauchen. Dies verursacht weniger Oxidationsmittel (Wasserstoffperoxid), die für die Wasserbehandlung verfügbar sind. Die Verwendung von unreinem Wasser bewirkt auch, dass die Erzeugung von H₂O₂ je nach der Variation des eingehenden unreinen Wassers variiert. Die Verwendung von reinem Wasser bietet eine erhöhte Stabilität und Vorhersagbarkeit des Systems. Insgesamt wird die Qualitätssicherung und -kontrolle des Verfahrens unter Verwendung von unreinem Wasser verringert, da es aufgrund der Variation der H₂O₂-Dosis, die für eine optimale Behandlung erforderlich ist, sehr schwierig ist, das Verfahren mit optimalen Einstellungen auszuführen. Es besteht auch ein Risiko eines erhöhten Verschleißes der H₂O₂ erzeugenden Elektroden, wenn unreines Wasser in der elektrochemischen Zelle verwendet wird.
In diesem Zusammenhang umfasst unreines Wasser beispielsweise Abwasser nach der Sekundärbehandlung, Abwasser wie Industrieabwasser oder Autowaschabwasser, zu behandelndes Wasser, Grundwasser, Oberflächenwasser und/oder Trinkwasser. Es kann Wasser sein, das gereinigt werden soll, das einen hohen Gehalt an DOC und Verunreinigungen umfasst, die durch das Behandlungsverfahren entfernt werden sollen. Es kann auch andere Abwässer sein, die nicht gereinigt werden sollen.
Der separate Reinwassereinlass 132 erleichtert die Verwendung einer Wasserquelle für die elektrochemische Zelle, die sich von dem zu behandelnden Wasser im System unterscheidet. Die Wasserquelle für den Reinwassereinlass ist, wie durch den Namen angegeben, Reinwasser, das zur Verwendung bei der H₂O₂~Erzeugung geeignet ist, um die oben genannten Nachteile der Verwendung von unreinem Wasser zu vermeiden.
Ein weiterer Vorteil des Systems ist, dass durch die Verwendung eines Festkörperelektrolyten die Handhabung von flüssigen Elektrolyten vermieden wird. Flüssige Elektrolyte erfordern die Zugabe von Chemikalien für die Leitfähigkeit der elektrochemischen Zelle sowie eine umfangreiche Handhabung und kontinuierliche Zufuhr. Darüber hinaus kann, wenn Abwasser als Elektrolyt zur Erzeugung von H₂O₂ verwendet wird, ein potentielles toxisches Nebenprodukt, d. h. Perchlorat, des elektrochemischen Verfahrens gebildet werden, das in vielen Ländern streng reguliert ist. Festkörperelektrolyte wie Ionenaustauschmembranen können flüssige Elektrolyte aufgrund ihrer Bequemlichkeit für praktische Anwendungen ersetzen. Die Verwendung eines Festkörperelektrolyten wird auch den Energieverbrauch der H₂O₂-Erzeugung reduzieren und somit die Gesamtkosten senken.
Der Reaktionsbehälter 110 ist angepasst, um eine ausreichende Behandlungszeit für die Reaktion zwischen O₃ und H₂O₂, das in den Behälter 110 eingeführt wird, für eine effiziente Behandlung von Wasser bereitzustellen. Die Behandlungszeit hängt von der Wasserqualität, der zu erreichenden Desinfektion und den zu entfernenden Verunreinigungen ab. Beispielsweise könnte Abwasser in einer Abwasserbehandlungsanlage bis zu 45 Minuten Behandlung erfordern. Ölkontaminiertes Wasser könnte einige Stunden Behandlung erfordern und Trinkwasser erfordert normalerweise einige Minuten Behandlung. Das Reaktionsbehältervolumen ist basierend auf spezifischem zu behandelndem Wasser ausgelegt, um eine ausreichende Zeit für die Behandlung bereitzustellen.
Der Auslass 112 für Gas ist für die Freisetzung von Gasen wie etwa O₃ geeignet.
In einer Ausführungsform umfasst das System ferner eine Quelle 120 von O₃ zum Bereitstellen von O₃ für das System, wobei die Quelle 120 mindestens über den zweiten Behältereinlass 121 in Fluidverbindung mit dem Reaktionsbehälter 110 steht. Es ist vorgesehen, dass die Quelle von O₃ kein 100% reines Ozon erzeugen kann und dass es eine Mischung geben kann, die ferner O₂ sowie andere Gase umfasst. Die Quelle 120 von O₃ ist für das System geeignet. Die Quelle 120 von O₃ ist in einer Ausführungsform ein O₃-Generator. Die Quelle 120 von O₃ ist in einer Ausführungsform ein O₃-Gastank.
Das O₃ tritt in einem unteren Teil des Reaktionsbehälters 110 in den Reaktionsbehälter 110 ein, was zu einer Aufwärtsströmung von O₃ durch den Reaktionsbehälter 110 führt (1-5). Die Aufwärtsströmung ermöglicht es dem O₃, mit Wasser, das im Reaktionsbehälter 110 enthalten ist, zu reagieren, bevor es durch den zweiten Behälterauslass 112 aus dem Reaktionsbehälter 110 austritt. Der untere Teil ist in einer Ausführungsform der untere 1/3-, 1/4-, 1/8- oder 1/16-Teil des Reaktionsbehälters 110.
Der Auslass 112 für Gas ist in einer Ausführungsform im oberen 1/4-, 1/8- oder 1/16-Teil des Reaktionsbehälters 110 angeordnet, so dass Gase (z. B. O₃) aus dem Reaktionsbehälter 110 austreten können, nachdem sie aufwärts geströmt sind.
In einer Ausführungsform (1 und 5) des Wasserbehandlungssystems steht der zweite Behältereinlass 121 durch mindestens einen Diffusor 114 in Fluidverbindung mit dem Reaktionsbehälter 110, wobei der mindestens eine Diffusor 114 in einem unteren Teil des Reaktionsbehälters 110 angeordnet ist. Die Quelle 120 von O₃ führt dadurch O₃ durch mindestens einen Diffusor 114 in einen unteren Teil des Reaktionsbehälters 110 ein, was zu einer Aufwärtsströmung von O₃ durch den Reaktionsbehälter 110 führt.
In einer solchen Ausführungsform (1) ist der erste Behältereinlass 113 in einem oberen Teil des Reaktionsbehälters 110 angeordnet, zum Beispiel dem oberen 1/4-, 1/8- oder 1/16-Teil des Reaktionsbehälters 110, und der erste Behälterauslass 111 ist in einem unteren Teil des Reaktionsbehälters 110 angeordnet, zum Beispiel dem unteren 1/4-, 1/8- oder 1/16-Teil des Reaktionsbehälters 110, was zu einer Abwärtsströmung von zu behandelndem Wasser, das H₂O₂ enthält, durch den Reaktionsbehälter 110 führt. Die Aufwärtsströmung des O₃ und die gleichzeitige Abwärtsströmung des Wassers, das H₂O₂ umfasst, führt dazu, dass H₂O₂ mit gelöstem O₃ reagiert, um das gewünschte •OH zu erzeugen. Der mindestens eine Diffusor 114 ist in einer Ausführungsform eine Mehrzahl von Diffusoren 114, die an verschiedenen horizontalen Stellen im unteren Teil verteilt sind, wie etwa am unteren 1/3-, 1/4-, 1/8- oder 1/16-Teil des Reaktionsbehälters 110. In dieser Ausführungsform tritt H₂O₂ in einem oberen Teil in den Reaktionsbehälter 110 ein. In einer Ausführungsform erfolgt dies, da der H₂O₂-Eintrittspunkt 115 an einem Punkt auf der Hauptwasserleitung 150 angeordnet ist und die Hauptwasserleitung 150 durch den ersten Behältereinlass 113, der in einem oberen Teil des Reaktionsbehälters 110 angeordnet ist (wie in 1), in den Reaktionsbehälter 110 führt. In einer anderen Ausführungsform ist der H₂O₂-Eintrittspunkt 115 an einem Punkt angeordnet, der direkt in den oberen Teil des Reaktionsbehälters 110 führt, getrennt von der Hauptwasserleitung 150. Dieser Aufbau ermöglicht es dem zu behandelnden Wasser, ohne Anwesenheit von H₂O₂ im Reaktionsbehälter 110 für einen anpassbaren Zeitraum mit Ozon zu reagieren, um eine Wasserdesinfektion durch Ozonierung zu erreichen, bevor H₂O₂ hinzugefügt wird und die Peroxonreaktion stattfindet.
In einer anderen solchen Ausführungsform ist der erste Behältereinlass 113 in einem unteren Teil des Reaktionsbehälters 110 angeordnet, beispielsweise dem unteren 1/4-, 1/8- oder 1/16-Teil des Reaktionsbehälters 110, und der erste Behälterauslass 111 ist in einem oberen Teil des Reaktionsbehälters 110 angeordnet, beispielsweise dem oberen 1/4-, 1/8- oder 1/16-Teil des Reaktionsbehälters 110. Merkmale, wie H₂O₂ und Ozon in die Hauptwasserleitung 150 eintreten können, die nachstehend beschrieben werden, können, wenn geeignet (wie etwa, wenn die Hauptwasserleitung 150 durch den ersten Behältereinlass 113 an einem oberen Teil des Behälters 110 in den Reaktionsbehälter 110 eintritt), mit der Anwesenheit von mindestens einem Diffusor 114 kombiniert werden. In einer Ausführungsform kann dadurch Ozon sowohl über die Hauptwasserleitung 150 (optional durch einen Venturi-Injektor und optional über einen ersten Strömungsweg 151, der nachstehend weiter beschrieben wird) zum Reaktionsbehälter 110 hinzugefügt werden als auch über mindestens einen Diffusor 114, der in einem unteren Teil des Reaktionsbehälters 110 angeordnet ist, zum Reaktionsbehälter 110 hinzugefügt werden. Eine solche Ausführungsform ist in 5 gezeigt. In einer solchen Ausführungsform wird ein Großteil des Ozons über die Hauptwasserleitung 150 hinzugefügt und ein kleinerer Teil wird über den mindestens einen Diffusor 114 hinzugefügt. In einer Ausführungsform ist das System so konfiguriert, dass Ozon aus diesen Quellen mindestens teilweise gleichzeitig hinzugefügt werden kann. In einer Ausführungsform ist das System so konfiguriert, dass Ozon aus diesen Quellen zu unterschiedlichen Zeitpunkten hinzugefügt werden kann.
In einer Ausführungsform (2-5) umfasst das Wasserbehandlungssystem ferner mindestens eine Einspritzstelle 140 zum Einspritzen von O₃ in mindestens einen ersten Strömungsweg 151 für Wasser, wobei der mindestens eine erste Strömungsweg 151 in Fluidverbindung mit dem Reaktionsbehälter 110 steht und mindestens einen ersten Strömungswegeinlass 116 stromaufwärts der mindestens einen Einspritzstelle 140 und mindestens einen ersten Strömungswegauslass 119 stromabwärts der mindestens einen Einspritzstelle 140 aufweist,
wobei die mindestens eine Einspritzstelle 140 optional einen Venturi-Injektor umfasst.
In einer Ausführungsform ist die Querschnittsfläche des engsten Durchgangs des mindestens einen ersten Strömungswegs 151 kleiner als die Querschnittsfläche des engsten Durchgangs der Hauptwasserleitung 150 (2-5).
Ein Venturi-Injektor ermöglicht die Zugabe von mehr Ozon pro Wasservolumen im Vergleich zur Zugabe von Gasblasen. Das Einspritzen von Ozon über einen Venturi-Injektor unter Verwendung eines Nebenstroms mit einer niedrigeren Strömung (wie der erste und zweite Strömungsweg 151, 152) als die Hauptwasserleitung 150 ist vorteilhaft, da das Einspritzen von Ozon über einen Venturi-Injektor einen bestimmten Druck erfordert, der für eine niedrige Strömung unter Verwendung einer kleinen Pumpe leicht gehandhabt werden kann. Einspritzen des Ozons in die volle Strömung der Hauptwasserleitung 150, was eine leistungsstärkere Pumpe und höhere Energie erfordern würde.
In einer Ausführungsform (2) ist der mindestens eine erste Strömungswegauslass 119 an einem unteren Teil des Reaktionsbehälters 110 angeordnet,
der erste Behältereinlass 113 ist in einem oberen Teil des Reaktionsbehälters 110 angeordnet,
der erste Behälterauslass 111 ist in einem unteren Teil des Reaktionsbehälters 110 angeordnet, und
der H₂O₂-Eintrittspunkt 115 ist an einem Punkt auf der Hauptwasserleitung 150 oder an einem oberen Teil des Reaktionsbehälters 110 angeordnet.
In einer Ausführungsform fällt der mindestens erste Strömungswegauslass 119 mit dem zweiten Behältereinlass 121 zusammen. In einer Ausführungsform ist der mindestens eine erste Strömungswegauslass 119 innerhalb des Reaktionsbehälters 110 angeordnet. In einer Ausführungsform ist eine Mehrzahl von ersten Strömungswegauslässen 119 an verschiedenen horizontalen Stellen im Reaktionsbehälter 110 verteilt. In einer Ausführungsform ist die Mehrzahl von ersten Strömungswegauslässen 119 an verschiedenen horizontalen Stellen im unteren 1/3-, 1/4-, 1/8- oder 1/16-Teil des Reaktionsbehälters 110 verteilt. In einer Ausführungsform ist die Mehrzahl von ersten Strömungswegauslässen 119 an verschiedenen horizontalen Stellen verteilt, die unter dem ersten Behälterauslass 111 angeordnet sind (2).
In einer Ausführungsform (3-5) steht der mindestens eine erste Strömungsweg 151 durch den ersten Strömungswegeinlass 116 entweder mit der Hauptwasserleitung 150 an einem Punkt A auf der Hauptwasserleitung 150 oder mit einer separaten Wasserquelle in Fluidverbindung,
der mindestens eine erste Strömungswegauslass 119 steht mit der Hauptwasserleitung 150 an einem Punkt B auf der Hauptwasserleitung 150 in Fluidverbindung,
Punkt B ist stromabwärts von Punkt A in der beabsichtigten Strömungsrichtung des Wassers in dem mindestens einen ersten Strömungsweg 151 angeordnet,
der erste Behältereinlass 113 ist im unteren Teil des Reaktionsbehälters 110 angeordnet, und
der erste Behälterauslass 111 ist im oberen Teil des Reaktionsbehälters 110 angeordnet.
Mit anderen Worten kann der erste Strömungsweg 151 als Wasserquelle entweder das Wasser in der Hauptwasserleitung 150 oder eine separate Wasserquelle haben. Das Wasser in dem ersten Strömungsweg 151 tritt in die Hauptleitung 150 an einem Punkt stromaufwärts von dem ersten Behältereinlass 113 ein. Dieser Aufbau ermöglicht die Zugabe von Ozon zu dem zu behandelnden Wasser vor der Einführung von H₂O₂ in dieses Wasser.
Die Ausführungsformen, bei denen das Ozon in die Hauptwasserleitung 150 injiziert wird, bevor es in den Behälter 110 eintritt, sind so konfiguriert, dass die Hauptwasserleitung 150 in den unteren Teil eintritt, so dass Ozon aus dem unteren Teil in den Reaktionsbehälter 110 eintritt. In diesen Ausführungsformen strömt das Wasser nach oben durch den Reaktionsbehälter 110, da der erste Behälterauslass 111 in einem oberen Teil des Reaktionsbehälters 110 angeordnet ist. Wie in 3-4 zu sehen ist, können der zweite Behältereinlass 121 zum Zuführen von O₃ zu dem Behälter und der erste Behältereinlass 113 für zu behandelndes Wasser, um in den Behälter 110 einzutreten, zusammenfallen. In 5 wird O₃ sowohl auf diese Weise als auch durch einen separaten Weg, der zu den Diffusoren 114 führt, zugegeben.
In einer Ausführungsform (4-5) umfasst das Wasserbehandlungssystem ferner einen zweiten Strömungsweg 152 für Wasser,
wobei der H₂O₂-Eintrittspunkt 115 an einem Punkt auf dem zweiten Strömungsweg 152 angeordnet ist,
wobei der zweite Strömungsweg 152 einen zweiten Strömungswegeinlass 122 stromaufwärts des H₂O₂-Eintrittspunkts 115 und einen zweiten Strömungswegauslass 123 stromabwärts des H₂O₂-Eintrittspunkts 115 aufweist,
wobei der H₂O₂-Eintrittspunkt 115 optional einen Venturi-Injektor umfasst,
wobei der zweite Strömungsweg 152 durch den zweiten Strömungswegeinlass 122 mit der Hauptwasserleitung 150 an einem Punkt C auf der Hauptwasserleitung 150 oder mit einer separaten Wasserquelle in Fluidverbindung steht,
wobei der zweite Strömungswegauslass 123 mit der Hauptwasserleitung 150 an einem Punkt D auf der Hauptwasserleitung 150 in Fluidverbindung steht, und
wobei Punkt D stromabwärts von Punkt C in der beabsichtigten Strömungsrichtung des Wassers in dem zweiten Strömungsweg 152 angeordnet ist.
Ein solcher zweiter Strömungsweg 152 kann in allen Ausführungsformen vorhanden sein, in denen H₂O₂ in die Hauptwasserleitung 150 eingeführt wird, wodurch Wasser, das H₂O₂ umfasst, zuerst in einen kleineren Strom eingeführt werden kann.
In einer Ausführungsform, in der auch ein erster Strömungsweg 151 und ein Punkt B vorhanden sind, ist Punkt C auf der Hauptwasserleitung 150 an einer Stelle stromabwärts von Punkt B in der beabsichtigten Strömungsrichtung des Wassers in der Hauptwasserleitung 150 angeordnet.
Dieser Aufbau ermöglicht es dem zu behandelnden Wasser auch, ohne Anwesenheit von H₂O₂ in der Hauptwasserleitung 150 für einen anpassbaren Zeitraum mit Ozon zu reagieren, um eine Wasserdesinfektion durch Ozonierung zu erreichen, bevor das H₂O₂ eintritt und eine Peroxonreaktion stattfindet. In dieser Ausführungsform tritt die Hauptwasserleitung 150 in einem unteren Teil des Reaktionsbehälters in den Reaktionsbehälter ein. Der untere Teil ist in einer Ausführungsform der untere 1/3-, 1/4-, 1/8- oder 1/16-Teil des Reaktionsbehälters 110. Das Ozon tritt in die Hauptwasserleitung 150 stromaufwärts von dem ersten Behältereinlass 113 ein, entweder direkt oder durch mindestens einen separaten ersten Strömungsweg 151 für Wasser, der wie in den oben beschriebenen Ausführungsformen konfiguriert ist. In einer Ausführungsform tritt das Ozon durch eine Dosierpumpe in einen ersten Strömungsweg 151 ein.
In einer Ausführungsform tritt das Ozon durch einen Venturi-Injektor in einen ersten Strömungsweg 151 ein.
Dadurch tritt das Ozon in einem unteren Teil des Reaktionsbehälters 110 in den Reaktionsbehälter 110 ein. Der erste Behälterauslass 111 für behandeltes Wasser, um aus dem Reaktionsbehälter 110 auszutreten, ist im oberen Teil des Reaktionsbehälters 110 angeordnet. Der zweite Behälterauslass 112 für Gas, um aus dem Reaktionsbehälter 110 auszutreten, ist im oberen Teil des Reaktionsbehälters 110 angeordnet. Dies führt zu einer Aufwärtsströmung von O₃ durch den Reaktionsbehälter 110.
Die gleichen Eigenschaften gelten für den zweiten Strömungsweg 152 wie für den ersten Strömungsweg 151: Der separate zweite Strömungsweg 152 kann ein schmalerer Strömungsweg mit einer geringeren Wassermenge als die Hauptwasserleitung 150 sein. Er kann die Hauptwasserleitung 150 als Wasserquelle haben oder eine separate Wasserquelle haben und stromaufwärts von dem ersten Behältereinlass 113 in die Hauptwasserleitung 150 eintreten. Dies ist geeignet, wenn es eine hohe Strömung und einen hohen Druck in der Hauptwasserleitung 150 gibt. In einer Ausführungsform wird das Wasser, das H₂O₂ umfasst, unter Verwendung einer Dosierpumpe in den zweiten Strömungsweg 152 eingeführt. In einer anderen Ausführungsform umfasst der H₂O₂-Eintrittspunkt 115 einen Venturi-Injektor.
Die verschiedenen Weisen des Einführens von O₃ und H₂O₂ in den Reaktionsbehälter 110 können kombiniert werden, wenn sie auf Weisen kompatibel sind, die zusätzliche Ausführungsformen erzeugen. Zum Beispiel könnte es mehrere Wege für O₃ geben, die direkt oder über die Hauptwasserleitung 150 in den Reaktionsbehälter 110 führen. Dies erleichtert das Einführen von O₃ an mehr als einer Stelle und zu mehr als einem Zeitpunkt, wenn eine Wasserreinigung durchgeführt wird. In einer Ausführungsform gibt es mehr als einen ersten Strömungsweg 151, in den O₃ injiziert wird.
In einer Ausführungsform umfasst das Wasserbehandlungssystem ferner mindestens einen statischen Mischer 160, der in mindestens einer der Hauptwasserleitung 150 oder, wenn vorhanden, einem ersten Strömungsweg 151 und einem zweiten Strömungsweg 152 angeordnet ist. In einer Ausführungsform umfasst das Wasserbehandlungssystem ferner mindestens einen statischen Mischer 160, der zwischen dem mindestens einen H₂O₂-Eintrittspunkt 115 und dem ersten Behältereinlass 113 angeordnet ist. In einer Ausführungsform umfasst das Wasserbehandlungssystem ferner mindestens einen statischen Mischer 160, der zwischen Punkt B und dem mindestens einen H₂O₂-Eintrittspunkt 115 angeordnet ist. Dazwischen bezieht sich in diesem Zusammenhang auf eine Stelle zwischen zwei Punkten in Bezug auf die Strömung oder das Wasser.
In einer Ausführungsform umfasst das Wasserbehandlungssystem ferner UV-Lampen im Reaktionsbehälter 110.
In einer Ausführungsform ist mindestens eine der mindestens einen Kathode und der mindestens einen Anode eine Gasdiffusionselektrode. In einer Ausführungsform ist die Kathode kohlenstoffbasiert. In einer Ausführungsform ist die Kathode durch Katalysatoren modifiziert. In einer Ausführungsform besteht die Anode aus Kohlenstoff oder Metall.
In einer Ausführungsform ist die Kathode ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus einer Graphitelektrode, einer Glaskohlenstoffelektrode, einer Kohlenstofffaserelektrode und einer Gasdiffusionselektrode.
In einer Ausführungsform ist die Kathode eine Gasdiffusionselektrode ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus einer Kohlenstoffpapier/Stoff/Filz-Polytetrafluorethylenelektrode, einer Aktivkohle-Polytetrafluorethylenelektrode, einer Ruß-Polytetrafluorethylenelektrode, einer Kohlenstoffnanoröhrchen-Polytetrafluorethylenelektrode und einer Graphen-Polytetrafluorethylenelektrode.
In einer Ausführungsform ist die Kathode in der Gasdiffusionselektrodenkonfiguration flach geformt.
In einer Ausführungsform umfasst die mindestens eine Anode mindestens ein Material ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Kohlenstofftuch, BDD, Pt, Ru und Ti/RuO₂.
In einer Ausführungsform ist die mindestens eine Anode mindestens eine ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus einer Pt-Elektrode, einer Bor-dotierten Diamantelektrode, einer Pt/C-Elektrode, einer Titan-Rhodiumplattierten Elektrode, einer Titan-platinisierten Elektrode, einer Rutheniumdioxidelektrode auf Titanbasis, einer Edelstahlelektrode, einer Nickelelektrode und einer Legierungselektrode, die zwei oder mehr Übergangsmetalle enthält, einer Aluminiumlegierungselektrode, einer Titanlegierungselektrode, einer Kupferlegierungselektrode, einer Zinklegierungselektrode, einer Kohlenstoffpapier-Polytetrafluorethylen-, einer Kohlenstofftuch- und einer Ruß-Polytetrafluorethylenelektrode.
In einer Ausführungsform umfasst der Festkörperelektrolyt eine Ionenaustauschmembran. In einer Ausführungsform ist er mit einem Katalysator beschichtet.
Gemäß einem zweiten Aspekt wird ein Verfahren zur Reinigung von Wasser bereitgestellt, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:

- Zuführen von sauberem Wasser, Sauerstoff und Elektrizität zu mindestens einer elektrochemischen Zelle 130, wobei die mindestens eine elektrochemische Zelle 130 mindestens eine Kathode, mindestens eine Anode und einen Festkörperelektrolyten umfasst, wodurch H₂O₂ elektrochemisch erzeugt wird, wenn Sauerstoff eine Sauerstoffreduktionsreaktion an der Oberfläche der Kathode durchläuft,
- Zuführen von Wasser, das H₂O₂ umfasst, von der elektrochemischen Zelle 130 in einen Reaktionsbehälter 110,
- Zuführen von zu behandelndem Wasser in den Reaktionsbehälter 110 durch eine Wasserhauptleitung 150, die durch einen ersten Behältereinlass 113 in den Reaktionsbehälter 110 eintritt,
- Einführen von O₃ in einen unteren Teil des Reaktionsbehälters 110,
- Freisetzen von Gas aus dem Reaktionsbehälter 110 und
- Freisetzen von behandeltem Wasser aus dem Reaktionsbehälter 110.

Ein Vorteil des Zuführens von sauberem Wasser, Sauerstoff und Elektrizität zu mindestens einer elektrochemischen Zelle 130 ist die resultierende H₂O₂-Erzeugung, die getrennt vom Reaktionsbehälter 110 stattfindet, wo eine Elektro-Peroxon-Reaktion stattfindet. Dies gibt eine verbesserte Fähigkeit, Sauerstoff für die mindestens eine Kathode bereitzustellen und dadurch hohe Stromdichten unter Verwendung kleiner Elektroden zu verwenden.
Ein weiterer Vorteil des Verfahrens ist, dass die H₂O₂-Erzeugung unter Verwendung von Reinwasser stattfindet, wodurch die Bildung von potentiellen toxischen Nebenprodukten vermieden wird, die sich üblicherweise während elektrochemischer Verfahren bilden, wenn Abwasser als Quelle verwendet wird. Andere Vorteile der Verwendung von Reinwasser entsprechen den oben erwähnten in Bezug auf das System mit einem Reinwassereinlass.
Durch die Verwendung eines Festkörperelektrolyten in dem Verfahren wird die Handhabung von flüssigen Elektrolyten vermieden.
Die Strömungsgeschwindigkeit des Wassers, das in den Reaktionsbehälter 110 eintritt, ist angepasst, um eine ausreichende Behandlungszeit im Reaktionsbehälter 110 für die Reaktion zwischen O₃ und H₂O₂ bereitzustellen.
In einer Ausführungsform wird das Wasser, das H₂O₂ umfasst, in den Reaktionsbehälter 110 zugeführt, indem es in die Hauptwasserleitung 150 eingeführt wird, in der das zu behandelnde Wasser strömt.
In einer Ausführungsform wird das Wasser, das H₂O₂ umfasst, in den Reaktionsbehälter 110 zugeführt, indem es getrennt von der Hauptwasserleitung 150, in der das zu behandelnde Wasser strömt, in den Reaktionsbehälter 110 eingeführt wird.
In allen Ausführungsformen wird der Schritt des Einführens von O₃ in den Reaktionsbehälter 110 so durchgeführt, dass O₃ und H₂O₂ an einer Stelle im Reaktionsbehälter 110 gleichzeitig vorhanden sind. In einer Ausführungsform erfolgt der Schritt des Einführens von O₃ mindestens teilweise gleichzeitig mit dem Einführen des Wassers, das H₂O₂ umfasst. In einer Ausführungsform beginnt der Schritt des Einführens von O₃ in den Reaktionsbehälter 110 vor dem Einführen des Wassers, das H₂O₂ umfasst. Es kann von einigen Sekunden bis zu einigen Minuten variieren. In einer Ausführungsform wird O₃ zu mehr als einem Zeitpunkt und/oder durch mehr als einen Einlass eingeführt.
In einer Ausführungsform umfasst das Verfahren ferner:

zu behandelndes Wasser, das H₂O₂ umfasst, das in den Reaktionsbehälter 110 in einem oberen Teil des Reaktionsbehälters 110 eintritt, und
behandeltes Wasser, das durch den ersten Behälterauslass 111, der in einem unteren Teil des Reaktionsbehälters 110 angeordnet ist, austritt, so dass eine Abwärtsströmung von Wasser innerhalb des Reaktionsbehälters 110 erfolgt, und

Einführen von O₃ in einen unteren Teil des Reaktionsbehälters 110, so dass eine Aufwärtsströmung von O₃ innerhalb des Reaktionsbehälters 110 erfolgt.
Die Aufwärtsströmung des O₃ und die gleichzeitige Abwärtsströmung des Wassers, das H₂O₂ umfasst, führt dazu, dass H₂O₂ mit gelöstem O₃ reagiert, um das gewünschte •OH zu erzeugen.
In einer Ausführungsform umfasst der Schritt des Einführens von O₃ in den Reaktionsbehälter 110 das Einführen von O₃ in den Reaktionsbehälter 110 durch mindestens einen Diffusor 114, der in einem unteren Teil des Reaktionsbehälters 110 angeordnet ist.
In einer Ausführungsform umfasst das Verfahren:

Einführen von O₃ in mindestens einen ersten Strömungsweg 151 für Wasser durch mindestens eine Einspritzstelle 140, optional durch einen Venturi-Injektor, und
Wasser mit O₃, das aus dem mindestens einen ersten Strömungsweg 151 in den Reaktionsbehälter 110 durch mindestens einen ersten Strömungswegauslass 119 eintritt, der in einem unteren Teil des Reaktionsbehälters 110 angeordnet ist.

In einer Ausführungsform umfasst das Verfahren:

Einführen von O₃ in mindestens einen ersten Strömungsweg 151 für Wasser durch mindestens eine Einspritzstelle 140, optional durch einen Venturi-Injektor,
Wasser, das in den mindestens einen ersten Strömungsweg 151 durch mindestens einen ersten Strömungswegeinlass 116 eintritt und durch mindestens einen ersten Strömungswegauslass 119 austritt, wobei der erste Strömungswegeinlass 116 so angeordnet ist, dass zu behandelndes Wasser aus einem Punkt A auf der Hauptwasserleitung 150 oder aus einer separaten Wasserquelle in den mindestens einen ersten Strömungsweg 151 eintritt, wobei der mindestens eine erste Strömungswegauslass 119 so angeordnet ist, dass Wasser aus dem mindestens einen ersten Strömungsweg 151 austritt und in die Hauptwasserleitung 150 an einem Punkt B eintritt, wobei Punkt B stromabwärts von Punkt A und stromaufwärts von dem ersten Behältereinlass 113 in der beabsichtigten Strömungsrichtung des Wassers angeordnet ist, wobei der erste Behältereinlass 113 im unteren Teil des Reaktionsbehälters 110 angeordnet ist, und wobei der erste Behälterauslass 111 im oberen Teil des Reaktionsbehälters 110 angeordnet ist.

In einer Ausführungsform wird O₃ zu einem Zeitpunkt 0-5 Minuten in das zu behandelnde Wasser eingeführt, bevor es mit Wasser, das H₂O₂ umfasst, gemischt wird. In einer Ausführungsform wird O₃ zu mindestens einem weiteren Zeitpunkt nach diesem ersten Mischen von Wasser, das O₃ umfasst, und mit Wasser, das H₂O₂ umfasst, in das zu behandelnde Wasser eingeführt.
In einer Ausführungsform wird O₃ sowohl durch Diffusoren 114, die in einem unteren Teil des Reaktionsbehälters 110 angeordnet sind, als auch durch die Wasserhauptleitung 150, optional durch einen Venturi-Injektor, in das zu behandelnde Wasser eingeführt.
In einer Ausführungsform wird der Gehalt des mindestens einen ersten Strömungswegs 151 vor dem Eintritt in den Reaktionsbehälter 110 an einer Stelle stromabwärts und/oder stromaufwärts der mindestens einen Einspritzstelle 140 gemischt.
In einer Ausführungsform des Verfahrens umfassen die Verunreinigungen, die aus dem zu behandelnden Wasser entfernt werden sollen, mindestens eines ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Ibuprofen, Diclofenac, Diazepam, Lopromid, Methotrexat, Primidon, Chloranilsäure, 2-(Methylthio)benzothiazol (MTBT), Cetirizin, Clindamycin, Ranitidin, Diclofenac, Sulfamethoxazol, Carbamazepin, Trimethoprim, Terbutalin, Erythromycin, Naproxen, Norfloxacin, Ciprofloxacin, Clotrimazol, Codein, Clarithromycin, Bisoprolol, Atorvastatin, Flecainid, Fexofenadin, Tramadol, Metoprolol, Atenolol, Mirtazapin, Citalopram, Methylbenzotriazol, Miconazol, Propiconazol, Metronidazol, Ketoconazol, Bupropion, 1H-Benzotriazol, Pentamidin, Loratadin, Irbesartan, Oxazepam, Fluconazol und anderen Pharmazeutika, quaternären Ammoniumverbindungen, 2-Methylisoborneol, Geominbenzoesäuren, Clofibrinsäure, Oxalsäure, 1,4-Dioxan, Bezafibrat, Phthalaten, Erdölprodukten, polycyclischem aromatischem Kohlenwasserstoff, Biphenylen, Farbstoffen, Kohlenwasserstoffen, Toluol, Pestiziden, Tensiden, Bioziden, Lösungsmitteln, Tetrachlorethylen, Trichlorethylen, Benzol, Phenol, Xylol, Ethylbenzol, Pathogenen.
Es gibt viele andere Beispiele für Verunreinigungen, die unter Verwendung dieses Verfahrens entfernt werden könnten, wie die in den Artikeln erwähnten (Huijiao Wanga, Majid Mustafa, Gang Yu, Marcus Östman, Yi Chenga, Yujue Wang, Mats Tysklind, Oxidation of emerging biocides and antibiotics in wastewater by ozonation and the electro-peroxone process, Chemospere, Volume 235, November 2019) und (Jerker Fick, Richard H. Lindberg, Mats Tysklind, D.G. Joakim Larsson, Predicted critical environmental concentrations for 500 pharmaceuticals, Regulatory Toxicology and Pharmacology 58 (2010) 516-523). Die Artikel werden hierin in ihrer Gesamtheit durch Bezugnahme aufgenommen.
In einer Ausführungsform des Verfahrens ist das zu behandelnde Wasser mindestens eines ausgewählt aus Abwasser nach der Sekundärbehandlung, Industrieabwasser, Autowaschabwasser, Grundwasser, Oberflächenwasser und Trinkwasser.
In einer Ausführungsform des Verfahrens wird Trinkwasser erzeugt.
In einer Ausführungsform des Verfahrens wird das Wasser im Reaktionsbehälter 110 UV-behandelt.
Das System ist geeignet, um zur Durchführung des hierin beschriebenen Verfahrens verwendet zu werden.
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 Patentliteratur

US 20200055754 A1 [0006]
EP 3430182 B1 [0009]
KR 20190120837 A [0010]
US 2020262723 A1 [0011]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Yang Li, Yixin Zhang, Guangshen Xia, Juhong Zhan, Gang Yu, Yujue Wang. 2021, Evaluation of the technoeconomic feasibility of electrochemical hydrogen peroxide production for decentralized water treatment. Front. Environ. Sci. Eng. 2021, 15(1): 1 [0008]
Huijiao Wanga, Majid Mustafa, Gang Yu, Marcus Östman, Yi Chenga, Yujue Wang, Mats Tysklind, Oxidation of emerging biocides and antibiotics in wastewater by ozonation and the electro-peroxone process, Chemospere, Volume 235, November 2019 [0089]
Jerker Fick, Richard H. Lindberg, Mats Tysklind, D.G. Joakim Larsson, Predicted critical environmental concentrations for 500 pharmaceuticals, Regulatory Toxicology and Pharmacology 58 (2010) 516-523 [0089]

Claims

Wasserbehandlungssystem zur Reinigung von Wasser, wobei das System umfasst: a. einen Reaktionsbehälter (110), umfassend - einen ersten Behältereinlass (113) für zu behandelndes Wasser, um in den Reaktionsbehälter (110) einzutreten, - einen ersten Behälterauslass (111) für behandeltes Wasser, um aus dem Reaktionsbehälter (110) auszutreten, - einen zweiten Behälterauslass (112) für Gas, um aus dem Reaktionsbehälter (110) auszutreten, wobei sich der zweite Auslass (112) in einem oberen Teil des Reaktionsbehälters (110) befindet, und - einen zweiten Behältereinlass (121) zum Zuführen von O₃ in den Reaktionsbehälter (110), wobei sich der zweite Einlass (121) in einem unteren Teil des Reaktionsbehälters (110) befindet, b. eine Hauptwasserleitung (150), die von einem Haupteinlass 118 für zu behandelndes Wasser zu dem ersten Behältereinlass (113) führt, und c. eine elektrochemische Zelle (130) zur H₂O₂-Erzeugung, umfassend mindestens eine Kathode, mindestens eine Anode und einen Festkörperelektrolyten, wobei die elektrochemische Zelle (130) einen Sauerstoffeinlass 131 und einen Reinwassereinlass (132) aufweist, wobei die elektrochemische Zelle (130) angepasst ist, um mit einer Stromquelle (133) verbunden zu werden, und wobei die elektrochemische Zelle einen Auslass aufweist, der es der elektrochemischen Zelle (130) ermöglicht, durch mindestens einen H₂O₂-Einlasspunkt (115) in Fluidverbindung mit dem Reaktionsbehälter (110) zu stehen.
Wasserbehandlungssystem nach Anspruch 1, wobei das System ferner eine Quelle (120) von O₃ zum Bereitstellen von O₃ für das System umfasst, wobei die Quelle (120) mindestens über den zweiten Behältereinlass (121) in Fluidverbindung mit dem Reaktionsbehälter (110) steht.
Wasserbehandlungssystem nach einem der Ansprüche 1-2, wobei der zweite Behältereinlass (121) durch mindestens einen Diffusor (114) in Fluidverbindung mit dem Reaktionsbehälter (110) steht, wobei der mindestens eine Diffusor (114) in einem unteren Teil des Reaktionsbehälters (110) angeordnet ist.
Wasserbehandlungssystem nach einem der Ansprüche 1-3, ferner umfassend mindestens eine Einspritzstelle (140) zum Einspritzen von O₃ in mindestens einen ersten Strömungsweg (151) für Wasser, wobei der mindestens eine erste Strömungsweg (151) in Fluidverbindung mit dem Reaktionsbehälter (110) steht und mindestens einen ersten Strömungswegeinlass (116) stromaufwärts der mindestens einen Einspritzstelle (140) und mindestens einen ersten Strömungswegauslass (119) stromabwärts der mindestens einen Einspritzstelle aufweist, wobei die mindestens eine Einspritzstelle (140) optional einen Venturi-Injektor umfasst.
Wasserbehandlungssystem nach Anspruch 4, wobei der mindestens eine erste Strömungswegauslass (119) in einem unteren Teil des Reaktionsbehälters (110) angeordnet ist und der erste Behältereinlass (113) in einem oberen Teil des Reaktionsbehälters (110) angeordnet ist, wobei der erste Behälterauslass (111) in einem unteren Teil des Reaktionsbehälters (110) angeordnet ist, und wobei der H₂O₂-Eintrittspunkt (115) an einem Punkt auf der Hauptwasserleitung (150) oder an einem oberen Teil des Reaktionsbehälters (110) angeordnet ist.
Wasserbehandlungssystem nach einem der Ansprüche 3-4, wobei der mindestens eine erste Strömungsweg (151) durch den ersten Strömungswegeinlass (116) entweder mit der Hauptwasserleitung (150) an einem Punkt A auf der Hauptwasserleitung (150) oder mit einer separaten Wasserquelle in Fluidverbindung steht, wobei der mindestens eine erste Strömungswegauslass (119) mit der Hauptwasserleitung (150) an einem Punkt B auf der Hauptwasserleitung (150) in Fluidverbindung steht, wobei Punkt B stromabwärts von Punkt A in der beabsichtigten Strömungsrichtung des Wassers in dem mindestens einen ersten Strömungsweg (151) angeordnet ist, wobei der erste Behältereinlass (113) im unteren Teil des Reaktionsbehälters (110) angeordnet ist, und wobei der erste Behälterauslass (111) im oberen Teil des Reaktionsbehälters (110) angeordnet ist.
Wasserbehandlungssystem nach einem der Ansprüche 1-6, ferner umfassend einen zweiten Strömungsweg (152) für Wasser, wobei der H₂O₂-Eintrittspunkt (115) an einem Punkt auf dem zweiten Strömungsweg (152) angeordnet ist, wobei der zweite Strömungsweg (152) einen zweiten Strömungswegeinlass (122) stromaufwärts des H₂O₂-Eintrittspunkts (115) und einen zweiten Strömungswegauslass (123) stromabwärts des H₂O₂-Eintrittspunkts (115) aufweist, wobei der H₂O₂-Eintrittspunkt (115) optional einen Venturi-Injektor umfasst, wobei der zweite Strömungsweg (152) durch den zweiten Strömungswegeinlass (122) mit der Hauptwasserleitung (150) an einem Punkt C auf der Hauptwasserleitung (150) oder mit einer separaten Wasserquelle in Fluidverbindung steht, wobei der zweite Strömungswegauslass (123) mit der Hauptwasserleitung (150) an einem Punkt D auf der Hauptwasserleitung (150) in Fluidverbindung steht, und wobei Punkt D stromabwärts von Punkt C in der beabsichtigten Strömungsrichtung des Wassers in dem zweiten Strömungsweg (152) angeordnet ist.
Wasserbehandlungssystem nach einem der Ansprüche 1-7, ferner umfassend UV-Lampen im Reaktionsbehälter (110).
Wasserbehandlungssystem nach einem der Ansprüche 1-8, wobei mindestens eine der mindestens einen Kathode und der mindestens einen Anode eine Gasdiffusionselektrode ist.
Wasserbehandlungssystem nach einem der Ansprüche 1-9, wobei die Kathode ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus einer Graphitelektrode, einer Glaskohlenstoffelektrode, einer Kohlenstofffaserelektrode und einer Gasdiffusionselektrode.
Wasserbehandlungssystem nach einem der Ansprüche 1-10, wobei die Kathode eine Gasdiffusionselektrode ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus einer Kohlenstoffpapier/Stoff/Filz-Polytetrafluorethylenelektrode, einer Aktivkohle-Polytetrafluorethylenelektrode, einer Ruß-Polytetrafluorethylenelektrode, einer Kohlenstoffnanoröhrchen-Polytetrafluorethylenelektrode und einer Graphen-Polytetrafluorethylenelektrode ist.
Verfahren zur Reinigung von Wasser, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: - Zuführen von sauberem Wasser, Sauerstoff und Elektrizität zu mindestens einer elektrochemischen Zelle (130), wobei die mindestens eine elektrochemische Zelle (130) mindestens eine Kathode, mindestens eine Anode und einen Festkörperelektrolyten umfasst, wodurch H₂O₂ in-situ elektrochemisch erzeugt wird, wenn Sauerstoff eine Sauerstoffreduktionsreaktion an der Oberfläche der Kathode durchläuft, - Zuführen von Wasser, das H₂O₂ umfasst, von der elektrochemischen Zelle (130) in einen Reaktionsbehälter (110), - Zuführen von zu behandelndem Wasser in den Reaktionsbehälter (110) durch eine Wasserhauptleitung (150), die durch einen ersten Behältereinlass (113) in den Reaktionsbehälter (110) eintritt, - Einführen von O₃ in einen unteren Teil des Reaktionsbehälters (110), - Freisetzen von Gas aus dem Reaktionsbehälter (110) und - Freisetzen von behandeltem Wasser aus dem Reaktionsbehälter (110).
Verfahren zur Reinigung von Wasser nach Anspruch 12, wobei das Verfahren ferner umfasst: - zu behandelndes Wasser, das H₂O₂ umfasst, das in den Reaktionsbehälter (110) in einem oberen Teil des Reaktionsbehälters (110) eintritt, und - behandeltes Wasser, das durch den ersten Behälterauslass (111), der in einem unteren Teil des Reaktionsbehälters (110) angeordnet ist, austritt, so dass eine Abwärtsströmung von Wasser innerhalb des Reaktionsbehälters (110) erfolgt, und - Einführen von O₃ in einen unteren Teil des Reaktionsbehälters (110), so dass eine Aufwärtsströmung von O₃ innerhalb des Reaktionsbehälters (110) erfolgt.
Verfahren zur Reinigung von Wasser nach einem der Ansprüche 12-13, wobei das Verfahren umfasst: - Einführen von O₃ in einen ersten Strömungsweg (151) für Wasser durch mindestens eine Einspritzstelle (140), optional durch einen Venturi-Injektor, und - Wasser mit O₃, das aus dem ersten Strömungsweg (151) in den Reaktionsbehälter (110) durch mindestens einen ersten Strömungswegauslass (119) eintritt, der in einem unteren Teil des Reaktionsbehälters (110) angeordnet ist.
Verfahren zur Reinigung von Wasser nach einem der Ansprüche 12-13, wobei das Verfahren umfasst: - Einführen von O₃ in einen ersten Strömungsweg (151) für Wasser durch mindestens eine Einspritzstelle (140), optional durch einen Venturi-Injektor, - Wasser, das in den ersten Strömungsweg (151) durch mindestens einen ersten Strömungswegeinlass (116) eintritt und durch mindestens einen ersten Strömungswegauslass (119) austritt, wobei der erste Strömungswegeinlass (116) so angeordnet ist, dass zu behandelndes Wasser aus einem Punkt A auf der Hauptwasserleitung (150) oder aus einer separaten Wasserquelle in den ersten Strömungsweg (151) eintritt, wobei der mindestens eine erste Strömungswegauslass (119) so angeordnet ist, dass Wasser aus dem ersten Strömungsweg (151) austritt und in die Hauptwasserleitung (150) an einem Punkt B eintritt, wobei Punkt B stromabwärts von Punkt A und stromaufwärts von dem ersten Behältereinlass (113) in der beabsichtigten Strömungsrichtung des Wassers angeordnet ist, wobei der erste Behältereinlass (113) im unteren Teil des Reaktionsbehälters (110) angeordnet ist, und wobei der erste Behälterauslass (111) im oberen Teil des Reaktionsbehälters (110) angeordnet ist.