DE19502588C1 - Verfahren zur Reduktion des chemischen Potentials von Agglomeraten in strömenden Flüssigkeiten - Google Patents
Verfahren zur Reduktion des chemischen Potentials von Agglomeraten in strömenden FlüssigkeitenInfo
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Description
Unter statischen Bedingungen und der Wirkung der Schwerkraft sammeln sich
Aggregate mit einer Dichte, die über der des umgebenden Mediums liegt, auf dem
Boden der entsprechenden Gefäße. Aerosole und Suspensionen, die durch gleich
namige Aufladung und sekundäre Dipolwirkung stabilisiert sind, widerstehen
durchaus für längere Zeit dieser Aggregation, obgleich kleinere Teilchen im Ver
gleich zu großen Tropfen und Körperchen eine höhere Reaktionsfähigkeit besitzen
und isotherm zusammenwachsen. (Kortüm, Lachmann, Einführung in die chemische
Thermodynamik, Verlag Chemie, Weinheim 1981, S. 377-378).
Beispiele sind Feuchtigkeitströpfchen in der Luft (Nebel) und Goldsuspensionen.
Eine Störung der Aufladung durch Anlegen eines Feldes führt zur schnellen Ver
größerung der Teilchen (Elektrophorese).
In Flüssigkeiten wie Wasser, Ölen Suspensionen oder Lösungen, die in der Lebens
mittel-, pharmazeutischen und chemischen Industrie eingesetzt werden, sind eine
Vielzahl von Teilchen im Nanometerbereich vorhanden. Diese Submikroteilchen
liegen in der Größe über den molekular gelösten Stoffen, aber noch unter den mit
der Wellenlänge des Lichtes korrelierenden Durchmessern sichtbarer Teilchen.
Sie haben ein chemisches Potential, das, abhängig von Grenzflächenspannung und
Verhältnis Volumen zur Oberfläche, größer ist als das eines mikrometergroßen
sichtbaren Kristalles. Die Folge ist daher nicht nur eine größere Reaktivität, sondern
auch eine höhere Löslichkeit. Dennoch werden diese Agglomerate, wie oben er
wähnt, entweder durch die Dipolwirkung des Lösungsmittels oder durch gleich
namige Aufladung an der Oberfläche im metastabilen Zustand gehalten.
Besonders Trinkwasser, Abwasser und Rohöl mit sehr unterschiedlichen Mengen an
gelösten Gasen wie Sauerstoff, Stickstoff, Kohlendioxid oder Salzmengen wie Cal
ciumcarbonat, Magnesiumsulfat, Natriumchlorid, bzw. Oxiden wie Quarz, Eisen
oxid, Manganoxid sind gute Beispiele.
In einem strömenden Medium, das diese Gas- und Festkörperagglomerate bein
haltet, sind die Verhältnisse, abhängig von Reibungskräften, Wandaufladungen, tur
bulenter und laminarer Strömung, noch weitaus komplexer.
Ein erster erheblicher Unterschied zur Statik besteht in der Hydrodynamik darin, daß
größere Teilchen mit hoher Strukturlabilität (Amorphizität) auseinandergeschert und
kleinere Teilchen auch ohne gleichnamige Aufladung über die sogenannten hydro
dynamische freie Weglänge stabilisiert werden.
Dieser Vorgang führt, entfernt vergleichbar mit der makroskopischen Kieselstein
bewegung und Gasblasenbildung in Fließwässern, zur weiteren Bildung reaktiver
Submikroteilchen. Ferner werden durch Temperaturschichtung, Strömung, Kavita
tion, Ausgasung, permanent die Parameter der molekularen Löslichkeit eines Fest
körpers verändert. Auch hierdurch bilden sich je nach absoluter Störgröße und Dy
namik Agglomerate.
Zusätzlich können sich die Teilchen, ähnlich der sogenannten ξ-Aufladung von
Rohrwandungen, unter fluiddynamischen Bedingungen gleichnamig aufladen. Dies
führt zur Stabilisierung dieses an sich instabilen, reaktiven Zustandes. Damit bleibt
wie im statischen Bereich die Reaktivität und erhöhte Oberflächenspannung über
weite Strecken erhalten.
Kommt ein solches reaktives Teilchen unter dem Einfluß der Strömung in einem
Rohr, das sehr viel länger ist als die sogenannte dynamische freie Weglänge des
reaktiven Teilchens, dann wird die Wahrscheinlichkeit eines Wandstoßes groß. Das
Agglomerat reagiert unter Abgabe der erhöhten chemischen Energie mit der Wand.
Dies führt je nach Werkstoff entweder zur einem korrosiven Abtrag Lochfraß) oder
zu einem ungehemmten Schichtaufbau unter Verringerung des Rohrdurchmessers.
Um dies zu verhindern und eine Qualitätsverbesserung z. B. des Gebrauchswasser zu
erreichen, werden statische und dynamische Magnetfelder in der Flüssigkeit erzeugt
(DE 34 33 417 oder 38 43 514). Diese Magnetfelder haben, da mit ihnen nur
sekundäre Effekt generiert und ins fließende Medium übertragen werden, einen sehr
geringen Wirkungsgrad. Die Abstufungen sind mit der Wirksamkeit 1/r⁴, 1/r⁶ 1/r⁸
und dem thermodynamischen Energiewert (1/kT) ausführlich beschrieben (Hirsch
felder, Curtiss and Bird, Molecular Theory of Gases and Liquids, John Wiley &
Sons, New York 1964, p. 26-30). Mit diesen übertragenen Energien, die weit unter
den Bindungskräften der Flüssigkeiten liegen, ist es unmöglich, wie im Berech
nungsbeispiel 1 beschrieben, eine nennenswerte Querbeschleunigung zu erzeugen.
Wesentlich besser sind elektrische Felder, die über Elektroden direkt in die
strömende Flüssigkeit eingebracht werden (DE 42 24 604, DE 41 07 708, DE 38 28
825) und damit sowohl eine Einstellung über die Leitfähigkeit als auch eine direkte
Querbeschleunigung geladener Teilchen erlauben.
In G 90 17 493 wird eine elektronische Kalkschutzvorrichtung vorgestellt, die von
einer Frequenz im Bereich 1 bis 10 kHz ausgeht und eine Stromsteuerung für
konstante Wechselströme beinhaltet. Das dort aufgezeigte Verfahren zur Beein
flussung des strömenden Mediums und zur Steuerung der Anlage berücksichtigt
nicht die unterschiedlichen Größen der primär vorhandenen Teilchen und Agglome
rate. Darüber hinaus führt das Konstanthalten der Stromstärke bei Verringerung des
Leitwertes zu einer Steigerung und nicht zu einer angepaßten Minimierung der ein
gebrachten Energie.
Der vorliegenden Erfindung, beschrieben in den Ansprüchen 1 bis 8, liegt die
Aufgabe zugrunde, das eingangs definierte Verfahren der Reduktion eines schäd
lichen chemischen Potentials derart weiterzubilden, daß die dazu notwendige Energie
ohne Verluste zur Überwindung der Grenzflächenpotentiale gezielt in Ladungs
injektion und Grenzflächenverringerung, d. h. Teilchenwachstum eingebracht werden
kann.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung, dargestellt im Hauptanspruch und
den Folgeansprüchen, dadurch gelöst, daß über Elektrodenpaare unterschiedliche
Wechselspannungsimpulsfolgen eingebracht und diese Folgen aufgrund einer
Strommessung sowohl in Impulshöhe als auch Impulsweite und Pausenzeiten ge
steuert werden.
Die durch die Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesonders darin, daß
sich während des Betriebs einer nach diesem Verfahren arbeitenden Anlage die Ag
glomeration optimal von Teilchen mit rund 10 nm auf Teilchen mit rund 1000 nm
und einer durchschnittlichen Dichte von 0,9 bis 3 g/cm³ selbständig einstellt und
eine weitergehende Segregation langfristig vermieden wird.
Ein Verfahren, das diese Agglomeration bewerkstelligt und der Segregation ent
gegenwirkt, muß Energien einsetzen, die über denen der einfachen Flüssigkeits
bindungsenergie liegen. Dies ist nur möglich durch die gezielte Einbringung
elektrischer Wechselspannungsimpulsfolgen (12, 14) über Elektroden (11). Diese
Wechselspannungsimpulsfolgen wirken spezifisch auf unterschiedlich bewegliche
Ionen (13) bzw. Agglomerate (15) (Fig. 1).
Die erste Phase besteht dabei aus der Bildung eines Reaktionszylinders (20) (Fig. 2)
aufgrund eines hochfrequenten Wechselfeldes (12) und der Vorzugsachse der
Strömung (16). Größere Agglomerate (21, 22), die ohne Ladung, bzw. mit einer ganz
geringen Raumladung dem schnellen Wechselfeld nicht folgen, werden dabei von
positiven (13) oder negativen (17) Ionen getroffen. Eine steigende Aufladung ist die
Folge (Injektionsphase).
In der zweiten Phase (Fig. 3) muß die Frequenz des Wechselfeldes (14) den größeren
Teilchen angepaßt sein, um ihnen entsprechend ihrer größeren Masse eine Querbe
schleunigung aufzuprägen. Die Coulombkräfte entgegengesetzt geladener Teilchen
(22) unterschiedlicher Größe führen dann zu einer strömungsstabilen Spezies immer
größerer Teilchen (Fig. 3, vektorielle Wachstumsphase).
Fig. 4 zeigt den Aufbau stabiler Teilchen (21) mit Rotationsbewegung (41) aus Ein
zelionen bzw. wenig formstabilen Strukturen mit einer Scherebene (40).
In Fig. 5 wird die Stromantwort (50, 52) auf die konstanten Spannungsimpulse (12,
14) aufgezeigt. Der maximale (variierende) Stromwert ergibt in Korrelation zur
konstanten Spannungsspitze den Kennwert für die Steuerung der Energieeinbringung
in VAs.
Übliche Fließgeschwindigkeiten der in den folgenden Beispielen beschriebenen
Flüssigkeiten liegen bei etwa 0,1 bis 1 m/s. Mit Feldstärken von 1000 bis 2000 V/m
erreicht man Ionengeschwindigkeiten (Na⁺, Cl-, Mg2+ und Ca2+) von rund 20 *10-5
m/s. D.h. die Ionen legen unter der Frequenz 10 kHz etwa 10 bis 20 nm zurück.
Größere Aggregate haben eine um den Faktor 10 bis 100 geringere Geschwindig
keit und benötigen für den gleichen Weg eine um diese Größenordnung reduzierte
Frequenz. Für die Bestimmung des Reaktionszylinders (20) genügt eine Korrelation
zwischen der Bindungsenergie der Flüssigkeiten und der Coulombschen Energie, die
auf die geladenen Teilchen wirkt.
Ohne den Energieeinfluß des strömenden Mediums würde das geladene Teilchen im
elektrischen Feld gehalten. Untersuchungen zeigen bei den obengenannten Feld
stärken und Ionen eine Relation Quergeschwindigkeit/Fließgeschwindigkeit 100/1.
Ein Reaktionszylinder (Ellipsoid) hat daher bei 0,1 m/s und 10 kHz eine Breite von
10-20 nm und eine Länge von 100 nm pro Zyklus.
Bei größeren Teilchen sollte die Breite des Reaktionszylinders erhalten bleiben, dies
erfordert, bezogen auf eine Durchschnittsgeschwindigkeit im Feld von 2*10-6 m/s,
eine Frequenz von 100 Hz. Allerdings verringert sich aufgrund fluiddynamischer
Einflüsse die obige Relation Quergeschwindigkeit/Fließgeschwindigkeit erheblich.
Ein Reaktionszylinder hat dann eine Breite von 10-20 nm und eine Länge 100.000
nm = 0,1 mm pro Zyklus.
Wenn sich aufgrund dieser überwiegend fluiddynamisch fixierten Bewegung
unterschiedlich geladene Agglomerate begegnen, dann führt dies zu einer Neu
bildung größerer Einheiten. Das zeigt die überragende Bedeutung der Ladungsinjek
tion, die allerdings nur im Rahmen der dynamischen freien Weglänge weiterwirken
kann, wenn auch die großen Teilchen aus ihrer Fließrichtung abgelenkt werden.
Oberflächenwässer, die die sogenannten Fließgewässer miteinschließen, haben heute
schon eine erhebliche Bedeutung in der Wasserversorgung bestimmter Regionen.
Diese Wässer sind dadurch gekennzeichnet, daß sie durch Luftauswaschung und
Strömung über versiegelte Oberflächen Stäube, Salze und organische Substanzen
mitreißen, aber auch Abgase wie Stickoxide, Schwefeloxide und unterschiedliche
Mengen an freiem Kohlendioxid aufnehmen. Sie sind deshalb besonders aggressiv
und keimhaltig.
Aufgrund umfangreicher Untersuchungen hat man an Staubkernen anhaftende
Agglomerate mit pyrogenen Aktivitäten vermehrt in diesen Wässern gefunden. An
Rohrleitungswänden wachsen darüber hinaus Biofilmmassen, die allerdings nicht so
festhaften wie die Karbonat- und Oxidschichten in Trinkwasserleitungen.
Während die pyrogenen Eigenschaften nur durch Sauerstoff-, Chloreintrag,
Elektrolyse bzw. UV-Bestrahlung reduziert werden können, wird die Schichtbildung
durch elektrische Wechselfelder beeinflußt. Hierbei hat es sich als zweckmäßig er
wiesen, vorab durch eine sensorisch gesteuerte Neutralisation mit Calcium- und
Magnesiumhydroxid eine Mineralisation durchzuführen.
Die Injektionsphase führt zur Aufladung der kleinen Agglomerate bei hohen Wech
selfeldern an einem-ersten Elektrodenpaar. Das Wachstum der Teilchen, die in die
sem Falle hauptsächlich Stäube und Biomassen beinhalten, muß bei niederen Fre
quenzen (10-100 Hz) und kleinen Spannungsamplituden (5-10 Volt) durch
geführt werden. Eine Filterung nach der Wachstumsphase ist vom Einsatzfall des
Wassers abhängig.
Abwässer enthalten neben den gelösten Salzen, die aus der Brauchwasserphase
stammen eine Festphase und suspendierte Teilchen mit durchschnittlichen Durch
messern von 10 nm bis in den durch Trübung in Wässern erkennbaren Bereich von
1000 nm und größer. Für den Aufbau der Zwischenphasen sind Wechselwirkun
gen zwischen sechs Substanzklassen entscheidend:
(1) Hydrophob, (2) kapillaraktiv nichtionisch, (3) kapillaraktiv ionisch, (4)
kapillarinaktiv ionisch hydratisiert, (5) kapillarinaktiv ladungsabgesättigt hydrati
siert und (6) ungeladen hydrophil.
Diese Vielfalt der Substanzgruppen, kombiniert mit den Strömungseinflüssen, führte
bei der Abwasserbehandlung zum Bau großer Absetzbecken und/oder zur Zugabe
von Flockungsmitteln. Beide Maßnahmen können erheblich reduziert werden, wenn
die Wässer elektrischen Wechselfeldern unterworfen sind. Über sogenannte Inert
elektroden, wie man sie in der Korrosionsschutztechnik verwendet, wird in der ersten
Phase ein hochfrequentes Feld mit etwa 10 kHz und einer Spannungsamplitude von
100 Volt eingesetzt. In dieser Injektionsphase werden nicht nur Teilchen in der
Größe von 10 bis 100 nm aufgeladen, sondern auch aus größeren amorphen Struk
turen kleinere stabilere Agglomerate mit höherer Dichte erzeugt.
Die zweite Phase erfordert aufgrund der meist geringeren Strömungsgeschwindig
keiten Elektroden, die einer Verweilzeit von 1 bis 10 Sekunden im niederfrequenten
Feld angepaßt sind. Die Wachstumsphase läuft dann in einem kleinen Abtrenn
becken aus.
Rohöle sind nicht nur gekennzeichnet durch eine breites Produktspektrum organi
scher Substanzen, sie besitzen sehr unterschiedliche Beimengungen von Gasen,
Wasser, Salzen und Festkörpern wie Oxiden und Silikaten. Auch in diesem Falle
werden zur Trennung der meist sehr stabilen Suspensionen Hilfsstoffe zugegeben.
Die technischen Vorgaben sind beim Rohöl abhängig von zumeist sehr langen
Transportwegen in Rohren, bei denen geringe Viskositäten eine Rolle spielen. Die
nachfolgende destillative Trennung der verschiedenen Fraktionen erfordert aufgrund
der hohen Verdampfungsenthalpie des Wassers eine Abscheidung der hydrophilen
Anteile. Aus diesen Gründen ist sowohl eine Feinverteilung der Suspensionen als
auch eine Abscheidung der Hydratphase notwendig.
Die Injektionsphase besteht daher aus einem elektrischen Wechselfeld mit höheren
Frequenzen von 10-100 kHz, variabler Spannungsamplitude und einer Strombe
grenzung. Die Wachstumsphase kann dann getrennt von der Injektionsphase
aufgebaut werden. Da im Gegensatz zu den vorhergehenden Beispielen die Träger
flüssigkeit stark hydrophob ist, wird die Wachstumsphase bei höheren Frequenzen
der Wechselfeldern durchgeführt.
Calciumcarbonat CaCO₃ löst sich mit etwa 14 mg pro kg Wasser, das Vorhandensein
von Kohlendioxid erhöht die Löslichkeit bei 4 bis 7°C bis auf etwa 1300 mg pro kg
Wasser. Bei steigenden Temperaturen sinkt die Löslichkeit wieder ab, es bilden sich
bevorzugt kleinere Ionenaggregate etwa im Durchmesserbereich von 10 bis 100 nm
mit einer hohen Reaktivität. Diese Teilchen mit einer durchschnittlichen Masse von
10-21 bis 10-17 kg beinhalten einige Tausend bis einige Millionen Calcium- und Car
bonationen. Sie reagieren mit der Rohrwandung von Wasserleitungen zusammen mit
Kohlendioxid unter Korrosion oder führen durch unkontrollierte Schichtbildung zu
einer Verringerung des Rohrdurchmessers. Beide Effekte zerstören innerhalb weni
ger Jahre die Wasserversorgungsleitungen.
Die Behandlung mit hoch- und niederfrequenten elektrischen Feldern betrifft hier
die Injektionsphase mit Beeinflussung der Ionen und kleinen Ionenaggregaten, die
einer Frequenz von 10³ bis maximal 10⁵ Hz folgen. Damit werden Schwingungen
erzeugt, die bei einer durchschnittlichen Ionenbeweglichkeit eine Amplitude in der
Größenordnung des 100- bis 1000-fachen Ionendurchmessers ergibt. Eine 10 cm
lange Elektrode läßt bei einer Durchflußgeschwindigkeit von 0,1 m/s damit min
destens 1000 Schwingungsbewegungen eines kleinen Teilchens zu. Die übertragene
Energie reicht aus, langsamere Teilchen der 100 nm Grenze mit Überschußionen zu
beladen. In einem an zwei weiteren Elektroden angelegten Wechselfeld mit 10-100
Hz werden dann die schwach aufgeladenen Teilchen mit derselben Spannungsampli
tude aber wesentlich langsamer querbeschleunigt.
Diese Behandlung führt zur Bildung von größeren Teilchen, die immer noch die
Mineralstoffeigenschaft des Trinkwassers ausmachen, aber nicht nur ihre gefährliche
Reaktivität im Hinblick auf die Rohrwandungen eingebüßt haben, sondern auch als
Keime für einen lockeren und leicht entfernbaren Kalkstein bei weiterer Kohlen
dioxidentfernung (Wassererwärmung) dienen. Damit ist sowohl eine sofortige Wir
kung als auch eine Nachwirkung über eine längere Zeit gegeben.
Claims (8)
1. Verfahren zur Reduktion des chemischen Potentials von Agglomeraten in strö
menden Flüssigkeiten, dadurch gekennzeichnet, daß über Elektroden (11), die
direkt in die Flüssigkeit eintauchen, Wechselspannungsimpulsfolgen derart vorge
geben werden, daß in einer ersten Phase hohe Frequenzen (12) von 1 bis 100 kHz
zur Injektion von Ladungen in die Agglomerate ausgesendet werden, eine zweite
Phase bei niederen Frequenzen von 10 bis 100 Hz (14) quer zur Strömungsrichtung
(16) das Wachstum der vorher schwach aufgeladenen kleineren Agglomerate (15) zu
strömungsstabilen größeren Einheiten (21) beschleunigt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der gleichzeitig
bestimmte Wechselstrom als Maß für das ursprünglich vorhandene und während der
Einwirkung reduzierte chemische Potential so zur Eigensteuerung der unter An
spruch 1 genannten Wechselspannungsimpulsfolgen herangezogen wird, daß der
Anfangsstromwert der Hochfrequenzphase (50) die Zeitdauer der beiden Wechsel
spannungsimpulsfolgen, der der Niederfrequenzphase (52) die Pausenzeiten (51)
zwischen diesen Wechselspannungsimpulsfolgen bestimmt.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden
Wechselspannungsimpulsfolgen bei niedriger Strömungsgeschwindigkeit über ein
Elektrodenpaar zeitlich nacheinander, bei hohen Strömungsgeschwindigkeiten der
flüssigen Medien über zwei und mehr Elektrodenpaare gleichzeitig oder nur wenig
zeitlich versetzt ausgesendet werden.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wechsel
spannungsimpulsfolgen bei gleichzeitigem Start und gleicher Anzahl der Impulse
100 bis 1000 Zyklen umfassen und dadurch die Impulsfolge des zweiten Elektro
denpaars aufgrund der geringeren Frequenz länger nachläuft.
5. Verfahren nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß
Impulszeiten, festgelegt durch die geringeren Frequenzen, 10 bis 100 s ausmachen
und die Pausenzeiten zwischen 10 Sekunden und 10 Minuten liegen.
6. Verfahren nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß
die Spannungsamplituden so ausgebildet sind, daß der Wechselstrom während einer
Impulsfolge abfällt und damit keine gefährliche Zersetzung der Flüssigkeit erfolgt.
7. Verfahren nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein
Kennwert für die Eigensteuerung aus den Quotienten der vorgegebenen Spannungs
impulshöhen und den Anfangsmeßströmen errechnet wird.
8. Verfahren nach den Ansprüchen 1, 2 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der
genannte Kennwert zur Fehlermeldung bei Kabelbruch oder Wassermangel heran
gezogen wird.
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