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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Struktur einer Elektrode zur
Verwendung als eine Anode/Kathode in einer elektrolytischen Zelle
wie im Oberbegriff des folgenden Patentanspruchs 1 angegeben.
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Weiter
betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung der Elektrodenstruktur.
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Die
Erfindung betrifft auch eine Verwendung der elektrolytischen Zelle
umfassend eine Anode und eine Kathode wie oben beschrieben.
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Die
Erfindung betrifft die Technologie betreffend die Produktion von
Oxidantien und Radikalen, die zum Oxidieren und zur Elimination
organischen Materials in Flüssigkeiten
und organischen Materials auf Partikeln in Flüssigkeiten und zur Zerstörung von Bakterien,
Sporen, Mikroorganismen, Algen und Viren verwendet werden.
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Bekannte
Methoden, die heute in Benutzung sind
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Heute
werden Anoden (Elektroden) durch die Verwendung von elektrolytischer
Beschichtung eines Substrats mit dünnen Schichten von wertvollen (Edel-)
Metallen hergestellt. Allerdings haben diese Elektroden eine besonders
kurze Lebenszeit und vertragen es nicht, über eine Zeit hohen Spannungen ausgesetzt
zu sein. Wenn sie hohen Spannungen ausgesetzt sind, werden sie verbrennen.
Während des
Prozesses geschieht eine Auflösung/Ausfällung von
der Anode, so dass sie korrodiert wird.
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Es
gibt auch eine Herstellung von Anoden aus reinen Metallen oder Legierungen
von solchen Metallen und die nicht zu der Edelmetallgruppe gehören, aber
diese sind in der Benutzung schnell korrodiert, sie produzieren
nicht das gewünschte
Oxidationsmittel, noch können
sie der gewünschten
Spannung ausgesetzt werden.
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Eine
weitere weniger bekannte, Methode, die heutzutage verwendet wird,
beinhaltet, dass Tantal, Iridium oder ein Gemisch aus diesen auf
zwischen 0,015 und 0,035 mm gewalzt wird und auf einen Kern für eine Anode
geschweißt
wird, der aus Titan, Aluminium oder Kupfer hergestellt ist. Bei
dieser Methode wird ein Reibschweißen verwendet. Die Lebenszeit
für diese
Elektroden ist länger
als von den Elektroden, die durch Verwendung von Elektrolyse hergestellt
sind. Sie vertragen wesentlich höhere Spannung
und Strom. Mit diesen Vorteilen in Variablen für Elektrolyseprozesse, beispielsweise
Spannungen von 0 bis 380 V und Ströme von 0 bis 1000 Ampere, wird
ein Gemisch von Oxidationsmitteln produziert, das eine hohe Reaktionsfähigkeit,
Kraft und Möglichkeit
zum funktionellen Ausgleichen der einzelnen Oxidantien (Cl2, ClO3-, O3, O2, H2O2, OH, ClOH, O), umfasst, und den Effekt
von Oxidationsmitteln übertrifft
und die ungewünschten
Effekte der Oxidationsmittel von Anoden die mit anderen Methoden hergestellt
sind, reduziert.
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Die
Grenze für
die Vorbereitung durch diese Methoden ist die Variationsspanne in
dem Gemisch der Legierungen. Beispielsweise ist es bekannt, dass Platin/Iridiumlegierungen
(Pt/Ir), die mehr als 20% Iridium enthalten, schwierig auf die gewünschte Dicke zu
walzen sind. Heute ist es bekannt, dass die Legierung bis zu 33
Mikron (0,033 mm) gewalzt werden kann. Höhere Konzentrationen von Ir
führen
zu noch größeren Problemen
und die vorbereitete Folie wird oft spröde. Es ist auch wünschenswert,
dass die Folie einen hohen Härtegrad
hat, um den mechanischen Widerstand gegen Ab nutzung zu erhöhen. Weiter
ist die Dicke der Folie entscheidend dabei, zu bestimmen, wie viel
von bestimmten Oxidationsmitteln in einer bestimmten Flüssigkeit
mit einer gegebenen Spannung und Strom produziert wird. Es ist weiter bekannt,
dass beispielsweise reines Platin technisch nur bis zu 15 Mikron
(0,015 mm) gewalzt werden kann. Unter dieser Dicke ist es nicht
möglich
eine dichte Folie zu erhalten (ohne Poren).
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In
letzter Zeit haben Methoden zum Vakuum-Plasmasprühen von Tantal und Edelmetallen
gemäß der oben
erwähnten
Methode das Verwendungspotential erweitert, indem Methoden zum Sprühen von
dünneren
Schichten entwickelt worden sind und haben zur gleichen Zeit die
Variationsspanne der Mischung einer Legierung mit 100% Porendichte
erhöht
und dadurch wurde der spezifische Verwendungsbereich erweitert.
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Die
bekannten elektrolytischen Prozesse in ihrer einfachsten Form sehen
Cl2 als ein Oxidationsmittel vor. Weitere
Oxidantien (ClO3-, O3,
O2, H2O2, OH,
ClOH, O) sind jedoch weit mehr chemisch reaktiv und werden dadurch
bereitgestellt, dass ein Substrat mit Edelmetallen beschichtet wird,
wobei eine Spannung in einem Bereich ausgesetzt ist, in dem das
Gesetz von Farraday überschritten
wird.
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Von
diesen Bestandteilen sind insbesondere die Radikale die stärksten Oxidationsmittel,
sowohl im Hinblick auf Leistung und unerwünschte Nebeneffekte (halogenierte
Verbindungen organischen Materials). Das Problem der bekannten elektrolytischen Prozesse
ist, dass die Radikale nicht verwendet werden können, da sie eine Lebenszeit
eines Tausendstels einer Sekunde haben und daher nur sehr nahe der
Oberfläche
der Anode vorhanden sind. Da nur ein sehr kleiner Anteil der Flüssigkeitsmenge,
die durch eine elektrolytische Zelle geleitet wird, Kontakt mit dieser
Anodenoberfläche
hat, können
große
Mengen Flüssigkeit
nicht effektiv dem Einfluss von Radikalen zur Reaktion mit organischen
Verbindungen, Bakterien, Viren etc. ausgesetzt werden, deren Elimination aus
der Flüssigkeit
gewünscht
ist.
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Bekannte
elektrolytische Prozesse bilden Wasserstoff an der Kathode. Wasserstoff
verringert wesentlich die Bildung von Oxidantien an der Anode, weil
der Wasserstoff Wasser bildet, wenn er mit dem Oxidant in Kontakt
kommt. Dies trifft insbesondere auf OH-Radikale in Kontakt mit Wasserstoff
zu. Das Wasserstoffgas reduziert auch die Leitfähigkeit der Flüssigkeit,
wenn es in dem Spannungsfeld zwischen der Anode und der Kathode
vorhanden ist, und im Kontakt mit der Anode.
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Es
ist aus dem US-Patent 6,328,875 bekannt, dass Elektrolytzellenaufbauten
mit Anoden/Kathoden entwickelt worden sind, die aus leitenden porösen Elementen,
bestehend aus Metall, inbegriffen Edelmetall, oder Kohlenstoff aus
geschweißtem
oder gewebtem Drahtgewebe, ausgedehntem Metall- oder Kohlenstofffilz,
gewebtem Kohlenstoffgewebe oder netzartigem gesinterten oder glasartigem
Kohlenstoff und metallischem Schaum hergestellt sind. Der Aufbau
umfasst eine offene Lösung, bei
der der Ausfluss zwischen einem Abstandhalter/Anode und einer Kathode
in einen offenen Bereich durchgeführt wird (offene Lösung). Der
Stapel ist zusammen festgespannt und Anode/Kathode sind durch einen
Abstandhalter getrennt, monopolar oder bipolar, um einen Kurzschluss
zu verhindern. Der Ausfluss wird dann parallel mit der/dem Anode/Kathode/Abstandhalter
in dem Prozess durchgeführt.
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Ferner
ist es bekannt, dass das US-Patent 6,342,151 Anoden/Kathoden aus
durchlässigem,
leitenden Material, das aus der Gruppe, die aus perforierten Platten,
Drahtsieben oder Blenden, Wolle, Filz und Gewebtem aus rostfreiem
Stahl, Aluminium, Kupfer, platiniertem Titan, gemischten Metalloxiden, Gold
und vergoldetem Stahl bestehen. Auch diese Elektrode verwendet Abstandhalter,
um einen Kurzschluss zwischen Anode und Kathode zu verhindern, wenn
der Abstand zwischen den Bauteilen klein ist.
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Es
ist gut bekannt, dass Abstandhalter den Stromverbrauch in einem
elektrolytischem Prozess erhöhen
und die Flusskapazität
durch die Elektrode reduzieren.
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Es
ist ebenso gut bekannt, dass Ablagerung durch Verzunderung, verursacht
durch Mg- und Ca-Gehalt in dem behandelten Ausfluss ein Problem in
Bezug auf Elektrolyse ist. Das Verzunderungsproblem tritt auf, wenn
Geschwindigkeit von Mg- und Ca-haltigem Ausfluss (so wie Seewasser)
durch eine Anoden-/Kathodenreaktion geführt wird. Wenn die Geschwindigkeit
des Ausflusses zu langsam ist, wird eine Brücke von Kristallen beschleunigt
zwischen Anode und Kathode gebildet, was eine Verschmutzung des
Prozesses zur Folge hat. In einem solchen Umfang die Geschwindigkeit
zu erhöhen,
kann dies in solchem Umfang verhindern, dass aller Mg- und Ca-Aufbau
wegtransportiert wird, bevor er an der Kathode anhaftet. Ein anderer
Weg, vorausgesetzt, dass Anode und Kathode aus demselben oder gleich reaktivem
Material sind, ist es, die Polarität der Anode und der Kathode
regelmäßig zu alternieren.
Dann bricht die Verzunderung von der Kathode ab, wenn sie zur Anode
umgewandelt wird.
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Es
ist ein Ziel der Erfindung, eine neue und verbesserte Konstruktion
der Elektrode bereitzustellen, die die Energieverluste durch die
Notwendigkeit eines Abstandhalters eliminiert und trotzdem einen engen
Abstand zwischen Anode und Kathode ohne das Risiko eine Kurzschlusses
erlaubt.
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Es
ist ein Ziel der Erfindung, einen großen Fluss vertikal durch die
Elektrode zu erlauben, und dabei die volle Effizienz der Elektrolyse
beizubehalten, um Verschmutzung durch Verzunderung zu verhindern.
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Es
ist ein Ziel der Erfindung, eine neue und verbesserte Konstruktion
einer Elektrode bereitzustellen, um Oxidantien wie oben genannt
bereitzustellen, beispielsweise Cl2, ClO3-, O3, O2, H2O2,
(OH), (ClOH), (O) und die die Radikalenproduktion an der Oberfläche der
Anode optimal verwenden kann.
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Weiter
ist es ein Ziel der Erfindung, eine neue und verbesserte Konstruktion
einer Elektrode bereitzustellen, bei der ein reduzierter Oxidationseffekt
aufgrund von Wasserstoffinterferenz zwischen Anode und Kathode und
an der Kathode eliminiert werden kann.
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Es
ist weiter ein Ziel der Erfindung, im Wesentlichen sämtliche
Flüssigkeit
mit einem Bereich nahe der Anode, in dem die Radikale produziert
werden und wo die Radikale eine Lebenszeit von einigen tausendstel
einer Sekunde (Millisekunden) haben, in Kontakt zu bringen. Weil
die Radikale das vorherrschende Oxidationsmittel sind, auch mit
Blick auf unerwünschte
Nebeneffekte weiterer Oxidationsmittel, ist es wichtig für den Erfindungsreichtum,
verglichen mit der Technologie im Stand der Technik, dass die Effekte
der Radikale auf die zu desinfizieren/oxidierenden Materialien wesentlich
vergrößert werden.
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Es
ist auch ein Ziel der Erfindung eine Anode vorzubereiten, bei der
der Energieverbrauch in Relation zu dem Volumen der zu behandelnden
Flüssigkeit
reduziert ist, wenn sie an eine Schaltung gemäß der Erfindung angeschlossen
ist.
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Es
ist auch ein Ziel der Erfindung, ein neues und verbessertes Verfahren
bereitzustellen, bei dem es möglich
ist, einfach eine Elektrode mit einer höheren Leistung in der Verwendung
als die vorher bekannten Elektroden bereitzustellen.
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Weiter
ist es ein Ziel der Erfindung, eine Verwendung der Elektrode bereitzustellen.
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Die
Vorrichtung, das Verfahren und die Verwendung gemäß der Erfindung
sind durch die Merkmale gekennzeichnet, die in den kennzeichnenden Teilen
der unabhängigen
Ansprüche
auftreten.
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Die
weiteren Merkmale der Erfindung sind jeweils in den abhängigen Ansprüchen gegeben.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung ist ein Verfahren vorgesehen, das bei einer Verwendung von
Draht, gestricktem, gewebtem oder geflochtenem Maschendrahtnetz
aus Metallen für
und zur Produktion einer Anode und/oder einer Kathode geeignet ist,
die verwendet werden kann, um durch Elektrolyse ein Gemisch von
Oxidantien und insbesondere Radikale zu produzieren.
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Die
Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Anode mit Drähten oder
Drahtgeflechten, gestrickt oder geflochten, aus Tantal, Niob, Hafnium, Zirkonium,
Platin, Rhodium, Iridium, Ruthenium, Palladium oder einer Legierung
daraus, oder einer Mischung aus unterschiedlichen Drähten aus
den oben erwähnten
Metallen zusammengesetzt ist.
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Die
Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Kathode aus Drähten oder
einem Drahtgeflecht gestrickt oder geflochten aus 316L Stahldrähten, oder
höher legiertem
leitendem und widerstandsfähigem
Material zusammengesetzt ist.
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Weiter
ist die Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass die Drähte oder
Anodegewebe und Kathodegewebe ohne Kurzschlusskontakt nahe aneinander
gefügt
werden können,
dadurch dass ein Trennungsgewebe, Membran oder grobes gekreuztes
Quadratgewebe aus einem nicht leitenden, gegen Oxidantien widerstandsfähigem Material
zwischen der Anode und der Kathode angeordnet ist, um diese zu separieren,
um einen Kurzschlusskontakt zu verhindern.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung kann ein überlegenes
leitendes Material an der Anode und Kathode angeordnet werden, individuell
oder in einem groben quadratischen Muster und kann anschließend mittels
eines oxidantienbeständigen
Isolationsmaterials von dem Elekt rolyt isoliert werden, um einen
gleichmäßigen Stromdurchfluss über das
offene Drahtgeflecht oder Drahtnetzgebiet bereitzustellen.
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Die
Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Anode/Kathode in
einem Flüssigkeitsstrom angeordnet
ist, der durch die Anode/Kathode hindurchgehen muss, oder dass die
Anode/Kathode in einem Gefäß zur Produktion
von Oxidantien angeordnet ist.
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Weiter
ist die Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass man durch die Elektrolyse
von frischem Wasser im Stande ist, sowohl das Kathodengewebe und
Anodengewebe in SS316L-Qualität oder
höherem
legiertem Metall zu verwenden.
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Weiter
ist die Erfindung dadurch charakterisiert, dass durch Elektrolyse
von Frischwasser ein gewebtes, gestricktes oder gewobenes Gewebe durch
eine Platte aus SS316L ersetzt werden kann, die durch fotochemische
Mittel perforiert ist, um ein Drahtgeflecht auszutauschen.
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Vorteile des
vorliegenden neuen Verfahrens
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Durch
Ansenken eines Drahtaufbaus oder eines gewebten, gestrickten oder
gewobenen Gewebes aus einem Metall oder einem Edelmetall, wie es oben
offenbart ist, mit einem elektrischen Strom mit hoher Stromdichte,
die das Gesetz von Farraday übersteigt,
erreicht man eine hohe Produktion von radikalen und reaktiven Oxidantien.
Diese Produktion impliziert einen besonders hohen Effekt durch Oxidation
von organischem Material und Desinfektion.
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Die
vorliegende Erfindung weicht von existierenden elektrolytischen
Zellen/Prozessen ab, bei denen der Effekt von Radikalen, Ozon, Wasserstoffperoxid,
Chlordioxid und Hypochlorit von Anoden mit einer Schicht aus Edelmetall,
die die reaktiven Oxidantien produziert, erzeugt wird, und durch
das Bereitstellen eines Elektrodenaufbaus, wodurch die Produktion
von Radikalen optimaler als vorher genutzt werden kann.
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Dies
kann durch die Anode vorgesehen werden, die eine Form mit einem
Gewebe aus Metall wie offenbart hat, das einen Drahtabstand von
100 Mikron bis 25.000 Mikron oder eine Quadratöffnung von 18 Mikron bis 25.000
Mikron hat, wobei das Metall Spannungen, die das Gesetz von Farraday übersteigen,
ausgesetzt ist, was zu einer hohen Produktion von Oxidantien nahe
der Anode führt.
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Bei
Verwendung des Elektrodenaufbaus gemäß der Erfindung wird die zu
behandelnde Flüssigkeit
dazu gebracht, ein Drahtnetzgewebe zu durchströmen oder zu umströmen, wobei
die Öffnung
in dem Netzgewebe eine Öffnungsgröße von minimal 15
Mikron (15 μm)
hat. Beim Umströmen
wird die Radikalenreaktion mit einer Lebenszeit von einigen tausendsteln
einer Sekunde im wesentlichen auf die gesamte Flüssigkeit, die durch das Drahtgewebe
fließt, Einfluss
nehmen. Andere elektrolytische Oxidationsprozesse erreichen 1–3% Radikaleneffekt
auf der Oberfläche
der Anode. Mit der vorliegenden Erfindung erhält man eine Effizienz von 95–98% der
Verwendung des Radikaleneffekts. Dies ergibt sich aufgrund der Tatsache,
dass bis zu 95– 98%
der Flüssigkeit
nahe der Anode hindurchströmen,
wo die Radikale ihre Lebenszeit verbringen, wobei die Flüssigkeit
tatsächlich
durch die fein gewebte Anode fließt.
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Die
vorliegende Erfindung unterscheidet sich von den existierenden elektrolytischen
Zellen/Prozessen dadurch, dass die Anode und die Kathode durch ein
Separationselement (Abstandshalter) oder ein Separationsdrahtgewebe,
das aus einem rohen quadratischen nicht leitenden Material vorbereitet
ist, sehr nahe zusammengeführt
werden können.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung, ist es bevorzugt, dass jeder Rahmen durch zwei Lagen
Drahtgewebe bedeckt ist, eine Lage auf jeder planen Seite des Rahmens.
Es ist jedoch ausreichend, dass der Rahmen nur eine Drahtgewebelage
umfasst, wie es in den 1A, 1B und 1C gezeigt ist.
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Gemäß der meistbevorzugten
Ausführungsform
sind ein Drahtgewebe oder parallele Stränge 12 bzw. 14,
mit jeder Seite des Leiterrahmens 10 dadurch verbunden,
dass es sie einer/einen wesentlichen Zugkraft/Druck ausgesetzt ist/sind,
wobei möglicherweise
Wärme aufgebraucht
wird und ein Bindemittel eingesetzt wird, oder durch Induktionsschweißen oder
Laserschweißen,
während
gleichzeitig der Draht oder die perforierte Folie unter ausreichender Zuglast
gehalten wird. So werden die Drähte
oder das Gewebe, die bzw. das die ausgesetzte/exponierte Fläche auf
jeder planen Seite des Leiters bedecken bzw. bedeckt, stabilisiert.
Möglicherweise
umfasst das Drahtgeflecht parallele Stränge, wobei jeder zehnte oder
zwanzigste Strang aus Tantal ist, während die anderen Platinstränge sind.
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Auf
eine der Drahtlagen 14 des Rahmens 10 oder dem
Trennungsdrahtgeflecht ist eine Abstandsfolie 16 (aus einem
PVS oder Polypropylenmaterial) aus einem nicht leitenden Material,
und mit der exakten Form (Planansicht) des Rahmens 10 positioniert und
verankert. Folglich sind die Öffnungen 18 des Trennungsdrahtgeflechts 16 mit
den Durchflussöffnungen 18 des
Rahmens 10 ausgerichtet. Folglich sind die Durchflussöffnungen 18 des
Rahmens 10, die durch das Drahtgeflecht 12, 14 „bedeckt" sind, nicht durch
die Abstandsfolie 16 bedeckt. Die Dicke des Rahmens 10 kann
5 mm sein, während
die Abstandsfolie 16 eine Dicke so klein wie 0,3 mm haben kann
(entsprechend dem Abstand zwischen den Anoden- und Kathodenoberflächen). Folglich
sind die Wasser/Flüssigkeitsdurchflusseigenschaften
des verwendeten Rahmens nicht behindert.
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Somit
weist eine Elektrodeneinheit für
eine Anode oder Kathode den Leiterrahmen mit einer Anzahl von Durchflussöffnungen 18,
dessen beide plane Seiten durch die perforierte Platte bedeckt sind, die
Drähte
(parallele Stränge
oder ein Drahtgeflecht) und die Abstandsfolie 18 nur auf
einer Seite auf. Weiter umfasst der Leiterrahmen (für eine Kathode
oder Anode) 10 Mittel 20 zum Verbinden mit einer
adäquaten
Stromversorgung (Spannung und Strom) auf.
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Um
eine einzelne (die einfachste) elektrolytische Zelle aufzubauen,
werden zwei Elektrodeneinheiten, wie in 4 gezeigt,
gegenseitig nahe zueinander aneinander ausgerichtet, so dass die
Abstandsfolie 18 den notwendigen Abstand (beispielsweise
0,3 mm) zwischen der Anodenfläche 14 einer Elektrodeneinheit
und der Kathodenoberfläche 12 der
angrenzenden Elektrodeneinheit bereitstellt.
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Es
ist bevorzugt, den Leiterrahmen (nach dem er aus rostfreiem Stahl
ist) und die Abschnitte des leitenden Drahtes (Drahtgeflecht) 12, 14,
die den Rahmen bedecken, mit einem nicht oxidierbaren Material zu
bedecken, um sie gegen Kontakt mit dem Elektrolyt zu schützen, in
einer ähnlichen
Weise, wie es in 1C gezeigt ist.
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Eine
elektrolytische Zelle, die aus einer Anzahl der oben genannten Paare
von Elektrodeneinheiten (bis zu 50 Paare) besteht, kann eine kreisförmige oder
rechteckige Form haben. Eine kreisförmige Elektrodeneinheit kann
beispielsweise einen Durchmesser von bis zu einem Meter haben, der
den Wasserdurchfluss der Einheit darstellt. Die elektrolytische
Zelle kann gemäß der Erfindung
in ein Rohr, das das zu behandelnde Wasser führt, angeordnet werden, beispielsweise
wie in 5 gezeigt. Wenn eine ausreichende Spannung an
die Anoden/Kathodengruppen angelegt wird, erhält das Prozesswasser, das durch
die Einheit (die Öffnung 18)
des Drahtgewebes der Einheit fließt, einen engen reaktiven Kontakt
mit den Oxidantien und Radikalen, die an den Anodensträngen des
Drahtgeflechts ausgebildet werden.
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Die
Zeichnungsfiguren 4A und 4B sind
vergrößerte Sichten
(rechteckige und kreisförmige
Versionen) der vier Ebenen 20, 12, 14, 16 aus
denen jede Einheit aufgebaut ist.
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4B zeigt,
das Anoden- oder Kathodendrahtgeflecht bei dem der Leiterrahmen
aus einem überlegenen
starren leitenden Material die ungeschützten Anoden- oder Kathodenflächen abstützt, um über einen
großen
Bereich oder im Falle von hohem Strom eine gleichmäßige Stromverteilung
zu erhalten. Das Gewebe ist an den Leiterrahmen an beiden Seiten
befestigt. Das nicht leitende Abstandshaltermaterial hat die gleiche
Form wie der feste Leiterrahmen und ist an einem der Gewebe an einer
Seite befestigt.
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Der
Aufbau einer einzelnen Anode oder Kathode kann in Anzahlen von einer
Anode und einer Kathode bis zu 50 insgesamt gestapelt werden.
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Anode
und Kathode können
aus identischen oder verschiedenen Materialien sein. Im Falle von ähnlichen
Materialien kann die angelegte Gleichstromleistung alterniert werden,
um Verzunderung und ungleichmäßige Abnutzung
zu vermeiden. Die Anodengröße kann
jeweils mehr als ein Meter im Durchmesser sein. Die Durchflusskapazität kann von wenigen
Litern pro Stunde in den kleinsten Zellen bis mehr als 1000 m3/h in jeder der größten Zellen betragen. Die typische
Stromdichte bei 316L-Anoden ist 38 mA/cm2,
was einen Cl-Gehalt
von 5 ppm bereitstellt. Für
Edelmetalle ist das oben genannte bis zu 270 Amp in einer Anodenfläche von
0,5 cm2 getestet worden.
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Das
Drahtgeflecht kann aus einzelnen Drähten, die parallel zueinander
an dem Rahmen montiert sind gebildet werden oder aus einzelnen Drähten, die gewebt,
gestrickt oder geflochten oder induktionsgeschweißt sind,
um das oben genannte Gewebe zu bilden.
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Vorzugsweise
ist jeder einzelne Draht oder die perforierte Folie an dem leitenden
Rahmen befestigt, so dass elektrischer Kontakt zur gleichmäßigen Stromverteilung über das
offene Elektrodengebiet führt
und damit das offenen Elektrodengebiet spannungsstabil wird, um
die Verwendung eines konventionellen Abstandhalters zu eliminieren,
wobei der Rahmen oder Leiter von dem flüssigen Elektrolyt durch einen
oxidantbeständigen
Isolator oder eine Beschichtung isoliert ist.
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Es
ist bevorzugt, das zu verarbeitende Wasser durch einen mechanischen
Partikelextraktor zu lenken, um alle Partikel und Organismen zu
entfernen, die größer als
die kleinen Öffnungen
in der Elektrode sind.
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Weiter
wird die Flüssigkeit,
nachdem sie gemäß der Erfindung
verarbeitet wurde, durch einen hydrophoben Absorbtionsfilter oder
hydrophobisches Absorbtionsmedium geführt, um möglicherweise überzählige organische
Elemente zu entfernen.
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Nach
der Verarbeitung wird die Flüssigkeit vorzugsweise
durch eine Flotationsvorrichtung geführt, um elektroflotiertes organisches
Material zu entfernen.
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Der
ausgesetzte Abstand zwischen Anode und Kathode braucht keine konventionellen
oder weiteren Abstandshalter, da der Abstand durch Anbringen einer
Folie, Membran oder einer Grobkörnung aus
nicht leitendem Material mit dergleichen Form wie der Rahmen selbst
bereitgestellt wird. Der Abstand kann so wenig wie 0,3 mm betragen.
Dies bedeutet, dass es durch die Erfindung möglich ist, eine hohe Stromdichte
mit einer sehr niedrigen Spannung zu erreichen, was beinhaltet,
dass das Gesetz von Faraday einfach ohne Strömungs- oder Stromverlust aufgrund
von Abstandshaltern überschritten
wird und dass eine gewünschte
Produktion von reaktiven Oxidantien bereitgestellt wird.
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Ein
weiterer Vorteil des Anbringens von Draht/Gewebe oder perforierter
Folie an beiden Seiten des Leiterrahmens ist, dass es eine Quadratmilime terhochskalierung
für extreme
Ströme,
die zur Elektrolyse durch den offenen Bereich strömen, erlaubt.
Ein 5 mm dicker Rahmen, der an beiden Seiten bedeckt ist, erlaubt
die Anbringung eines dünnen
Abstandhalterrahmens an beiden Seiten, wobei das Kathodengewebe/perforierte
Folie nahe zu der Anode in einer Distanz bis herunter zu 0,3 mm
angeordnet werden kann. Mit verscheiden Abständen können mehr als 3000 Ampere durch
eine Elektrode geführt werden.
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Die
vorliegende Erfindung unterscheidet sich von existierenden elektrolytischen
Zellen/Prozessen darin, dass man mittels einer sehr niedrigen Spannung
die nötigen
hohen Stromdichten auf einer großen Fläche erhalten kann, ohne dass
dadurch das Durchflussvolumen der zu behandelnden Flüssigkeit reduziert
wird. Dies impliziert auch, dass große Mengen von zu behandelnder
Flüssigkeit
sehr billig behandelt werden können.
Die Volumenkapazität
der elektrolytischen Zelle ist im Gegensatz zu anderen elektrolytischen
Zellen nicht verändert,
obwohl der Abstand zwischen der Anode und der Kathode von beispielsweise
5 cm auf 0,3 mm reduziert ist, dadurch, dass der gleiche Volumenflüssigkeitsstrom durch
die Anode und Kathode geht, unabhängig von dem gegenseitigen
Abstand zwischen ihnen.
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Die
vorliegende Erfindung unterscheidet sich von den existierenden Anoden
darin, dass die Verwendung von Drähten zu einem wesentlichen
Grad die Fläche
der Anode im Vergleich zu dem Gewicht des Metalls und der realen
Oberfläche
vergrößert. Folglich
werden die Kosten der Edelmetalle ebenfalls wesentlich reduziert,
während
gleichzeitig die Effizienz pro m2 vergrößert ist.
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Die
vorliegende Erfindung unterscheidet sich von existierenden elektrolytischen
Zellen/Prozessen darin, dass es möglich ist, eine hohe Stromdichte,
einen niedrigen Energieverbrauch und einen hohen Durchfluss des
Flüssigkeitsvolumens
zu erhalten, da die Distanz zwischen der Anode und der Kathode bis auf
0,3 mm reduziert werden kann, ohne dass dies die Kapazität der elektrolytischen
Zelle reduziert, so dass es mit der Ionenleitfähigkeit im frischen Wasser verwendet
werden kann (Oberflächenwasser
und Grundwasser).
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Mit
der vorliegenden Erfindung ist es möglich, die Effekte von unterschiedlichen
Metallen zu kombinieren. Beispielsweise erzeugt ein Anodengewebe
aus Tantal mit einigen Drähten
von anderen Edelmetallen aus der Platingruppe hauptsächlich Ozon,
Radikale und Wasserstoffperoxyd und sehr wenig Hypochlorit und Chloriddioxid.
Dies ergibt sich aus der Tatsache, dass jeder Stromfluss der von
den Edelmetalldrähten
wie beispielsweise Tantal passieren wird, sofort eine isolierende
Oxidschicht erhalten wird.
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Die
vorliegende Erfindung unterscheidet sich von existierenden elektrolytischen
Zellen/Prozessen darin, dass sie mit niedrigen Kosten zur Behandlung großer Flüssigkeitsvolumen,
so wie Oberflächenwasser,
Frischwasser und Grundwasser in der Zusammensetzung wie in großen Teilen
der Welt heute existiert, verwendet werden kann. Sogar mit sowohl
Anode und Kathode aus 316L Stahl oder höher legierten Metallen, ohne
dass die Anode oxidiert oder korrodiert. Dies ist auf Grund einer
großen
Elektrodenoberfläche
mit sehr niedrigem Energieverbrauch, die das nötige Oxidant (Ozon und Radikale)
produziert, selbst mit der durchschnittlichen Leitfähigkeit
im Grundwasser und frischem Oberflächenwasser.
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Die
vorliegende Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass Flüssigkeit
durch Anode und Kathode geführt
werden kann, wobei ein Rahmen aus leitendem Material an dem Anoden-
und Kathodengeflecht mit ausreichendem Kontakt angebracht ist, dass
Gewebe bevorzugt an beide Seiten des Rahmens geführt wird und der Leiterrahmen
mit einem nicht oxidierbaren Material beschichtet ist, um gegen Kontakt
mit Elektrolyten zu schützen.
Das Abstandshaltermaterial in einem nichtleitenden, oxidantienbeständigen Material
kann bereitgestellt werden, wonach das Anoden- oder Kathodengeflecht
zusammengesetzt ist. Das Abstandsmaterial ist von identischer Form
wie der Leiterrahmen und von verschiedener Dicke.
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Die
Vorrichtung gemäß der Erfindung
wird in mehr Einzelheiten mit Bezug auf die folgende Spezifikation
und die folgenden Zeichnungen erklärt, wobei:
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1A zeigt
eine schematische plane Ansicht einer Anode 1 eines hochleitfähigen Cu
(Kupfer) Rahmens 1, mit einem einzigen Drahtgeflecht aus
einem Edelmetall bedeckt.
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1B zeigt
einen Kathodenrahmen 3 umfassend ein gewebtes, gestricktes
oder geflochtenes Drahtgeflecht 4 (zum Beispiel aus rostfreiem
Stahl 316L). Der höherwertige
Leiterrahmen 1, an dem das Drahtgeflecht befestigt ist,
ist mit einem formgepressten, oxidantbeständigen Isolator isoliert.
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1C zeigt
den Seitenabschnitt des oxidantbeständigen Isolators mit Bezugszeichen 5, zusätzlich zu
den anderen Details des.
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2 zeigt
eine Anode von Drähten,
die an einem höherwertigen
Leiter befestigt sind, der isoliert ist.
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3 zeigt
eine Anode einer Folie, die an einem höherwertigen Leiter befestigt
ist, der isoliert ist.
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4A zeigt
eine vergrößerte Sicht
eines rechteckigen Elektrodenaufbaus und dieser ist vorher in dieser
Spezifikation offenbart.
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4B zeigt
eine vergrößerte Sicht
eines kreisförmigen
Elektrodenaufbaus gemäß der Erfindung.
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5 zeigt
einen Abschnitt einer elektrolytischen Zelle (mit nur einer Gruppe
aus einer Anode und Kathode aus Gründen der Einfachheit gezeigt) aus
einem Draht, geflochtenem, gewebten oder gestricktem Geflecht mit
einem Separierungsgeflecht zwischen Anode und Kathode, um einen
Kurzschluss kontakt zu verhindern. Die Flüssigkeit wird verarbeitet,
in dem sie durch die Anode und die Kathode geführt wird, so dass Wasserstoff
von der Kathode hinaus und weg von der Anode geführt wird.
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Der
in 5 gezeigte Aufbau wurde in Kontroll- und überprüften Experimenten
zur Behandlung von Ballastwasser aus Schiffen, das Seewasser aufwies,
das Bakterien, Mikroorganismen, Algen und Sporen enthielt, verwendet.
Das Wasser, das einen hohen Grad der Verschmutzung hatte, wurde
einmal durch die Zelle, wie mit Pfeilen gezeigt, bei einem Strom
von 100 Ampere geführt.
Das Ergebnis zeigt, dass 100% der oben genannten Verschmutzungen, inklusive
Sporen, zerstört
wurden. Eine Extrapolation der Ergebnisse auf Basis dieses Experiments
zeigt, dass der benötigte
Energieverbrauch 5 kWh sein wird, um 2500 cm3 Prozesswasser
pro Stunde mit einer Anodenfläche
von 2,5 m2 zu behandeln.
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Ähnlich wurde
der Aufbau wie in 5 gezeigt dazu verwendet, um
Oxidantienproduktion in Frischwasser zu beweisen. Mit einer Anoden/Kathodendistanz
von einem Millimeter und einer Anode aus einem Edelmetallgeflecht
wurden in einem Durchlauf 0,5 ppm Ozon erzeugt. Hochskalierte Modelle
zeigen, dass 2500 m3 pro Stunde 87 kWh mit
einer Anodenfläche
von 2,5 m2 benötigen.
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Das
Experiment wurde mit einem Anodengeflecht und Kathodengeflecht aus
316L-Stahl wiederholt. Während
eines Durchlaufs wurden 0,91 ppm Ozon in dem Trinkwasser mit 80
V und 3 Ampere produziert.
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6 zeigt
einen Abschnitt einer elektrolytischen Zelle und dort eine Folie
oder ein Drahtgeflecht, zu der eine Flüssigkeit zu beiden planen Oberflächen hinzugefügt wurde,
woraufhin die Flüssigkeit durch
die Kathode auf jeder Seite der Anode geführt wird, so dass Wasserstoff
nicht in Kontakt mit der Anode oder in das Feld zwischen der Anode
und Kathode kommt.
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Diese
elektrolytische Zelle wurde zur Zerstörung von polyaromatischen Kohlenwasserstoffen (PAK)
und PCB auf Partikeln in einem Seewasserschlamm verwendet. Mit einer
vorsichtigen Zugabe von Elektrolyten und Zirkulation der Mischung
während
20 Minuten wurde der PAK Gehalt um 99,6% und PCB um 76% auf der
Basis von relativ hohen Konzentrationen reduziert.
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Einige
weitere Beispiele der Erfindung werden nun vorgestellt:
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BEISPIEL 1
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Ein
Elektronenstapel wie in 4B beschrieben,
der 5 Anoden und 6 Kathoden, die alle aus 316L-Stahl sind, und eine
Gesamtanodenfläche
von 1013 cm2 umfasst, wurde mit einem 1
mm Abstandhalter, wie in 4 beschrieben
zusammengesetzt. Der Flüssigkeitsfluss
durch die Zelle lag bei einer Rate von 10 L/min. Der Ausfluss war
unbehandeltes Trinkwasser von einer Oberflächenquelle mit einem Salzgehalt,
der zwischen 1,5 und 5 ppm variierte und mit großem Humusanteil. E. Coli-Bakterien
wurden dem Wasser in einer Konzentration von 560.000 Bakterien pro
Milliliter zugegeben. Einmal durch die Zelle mit einem Strom von
20 Ampere durchgeführt,
zeigte eine vollständige
Desinfektionseffektivität
in allen nach der Behandlung genommenen Stichproben. Das ist eine
Beispielserie, genommen zwischen 2 und 20 Minuten nach dem Durchlaufen
durch die Zelle.
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Dieselben
Stichproben wurden auf Trihalomethane (chlororganische und bromorganische Verbindungen)
untersucht. Die Stichproben zeigten Ergebnisse in dem Bereich von
0,9–2,5
ppb. Dies ist sehr niedrig verglichen mit der Chlorierung von Wasser.
Die Gesamtzahl von Bakterien war mehr als 10 log 3 durch Anwenden
von 18,5 A.
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BEISPIEL 2
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Die
gleiche Anordnung und ähnliches
Wasser wie in BEISPIEL 1 wurde verwendet, aber die Anzahl der Elektroden
wurde vervielfacht um einen höheren
Strom zu erreichen. Die Betrachtung war, IPN Viren zu deaktivieren.
Die gewünschte
10 log 3-Inaktivierung wurde bei 60A erreicht. Weiter wurde Areomonas
Salmonicida mit demselben log unter denselben Bedingungen inaktiviert.
Das gesamte Restoxidant variierte von 0,7 bis 1,6 ppm.
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BEISPIEL 3
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Hergestelltes
Wasser aus Öl
und Gasproduktion, das PAK, Kohlenwasserstoffe, Phenole und BETEX
in wesentlichen Konzentrationen enthielt, wurde durch eine Edelmetallanode
aus gestricktem Drahtstoff und zwei Kathoden, wie in 4B gezeigt, geleitet.
Der Strom war 300A und die Anodenfläche 180 cm2.
Die Fließgeschwindigkeit
war 180 l/min. Phenole wurden reduziert von 1580 mg/l auf 0,51 mg/l.
PAK 16 wurde reduziert von 34,7 mg/l auf 3,92 mg/l.
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NPD
wurde reduziert von 114 mg/l auf 3,92 mg/l.
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TEOM
(C10–C40)
wurde reduziert von 16 mg/l auf 2,41 mg/l.
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BEISPIEL 4
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Eine
kontaminierte Flüssigkeit
aus einer Ölraffinerie,
die 1.600 ppm H2S, 2–3%
Phenole und 2900 ppm Ammonium enthielt, wurde durch zwei Edelmetalldrahtgeflechtanoden,
die mit 3 Kathoden aus 316L-Stahlgewebe gestapelt waren, verarbeitet. Die
gesamte Anodenfläche
war 225 cm2. Der Strom war 300 A. Strömung 140
l/min. Cl-Gehallt war 2% NaCl. Nach einer Batchverarbeitung eines
Volumens von 40 l über
15 Minuten war das H2S zu 0 ppm oxidiert und weitere 15 Minuten
der Verarbeitung ergaben einen Ammoniumgehalt von 3 ppm und einen Phenolgehalt
von 300 ppb. Während
des Vorgangs war der pH durch Additive gesteuert.
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BEISPIEL 5
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250
gr. Bohrverschnitt aus der Öl
und Gasindustrie wurde durch eine Elektrode unter den Bedingungen
wie in BEISPIEL 4 verarbeitet. Der Verschnitt wurde in 221 Abwasser,
enthaltend 6% NaCl, dispergiert. Der Rahmen war, Kohlenwasserstoffe
von Partikeln zu entfernen. Der anfängliche Gehalt von 7,62% insgesamt
an Kohlenwasserstoffen wurde in einer Behandlung von einer Stunde
auf 1,32% reduziert.
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BEISPIEL 6
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Dunkelblaues
Textilfärbeabwasser
wurde durch eine Anode aus Edelmetallsträngen, die über einen kreisförmigen Anodenleiterrahmen
mit einem Durchmesser von 5 Zoll gespannt wurden, durchgeleitet,
so dass die Fläche
der Anode nur 0,5 cm2 insgesamt betrug.
Die zwei Kathoden waren Drahtgewebe aus 316L Stahl. 20 l wurden
batchverarbeitet mit einem Fluss von 180 L/min durch die Elektrode. Volumen
20 l. NaCl-Gehalt 5%. Strom war 270 A. In 25–35 Sekunden wurde das Abwasser
weiß.