WO2012139879A1 - Verfahren zum behandeln von flüssigkeiten und dispersionen mit elektrolytisch unter verwendung einer zweikammer-elektrolysezelle hergestellten metallionen - Google Patents

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cathode
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dispersion
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Armin Bauer
Christian Naydowski
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Voith Patent Gmbh
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Definitions

  • the present invention relates to a method for treating a liquid or dispersion with metal ions, in particular for coagulation and / or flocculation of compounds dissolved or dispersed in a liquid by means of metal ions or for the reaction of metal ions with compounds dissolved or dispersed in a liquid, in particular for supporting the sizing and fixing of contaminants, in which metal ions are introduced into the liquid or dispersion.
  • the present invention relates to an apparatus suitable for carrying out the method.
  • metal ions especially trivalent metal ions such as aluminum ions or iron ions, are used in a variety of applications, for example, as coagulants and / or flocculants in the purification of wastewater or the purification of process water.
  • metal ions are also used for the reaction with compounds dissolved or dispersed in liquids, in particular anionic compounds.
  • the effectiveness of the mostly cationic functional chemicals contained in the pulp suspension or the process water, such as retention polymers is considerably reduced.
  • the contained impurities as there are easily metabolizable compounds, can lead to increased microbiological activity, for example in laid paper.
  • the presence of impurities present in the pulp suspension and in the process water, in particular colloidal impurities impairs essential paper properties such as whiteness, opacity, color, odor and strength of the paper. For these reasons, it is necessary to remove or fix the contaminants in the pulp suspension, in the process water and in the waste water.
  • process water or waste metal salts in particular aluminum salts, such as aluminum sulfate
  • aluminum salts such as aluminum sulfate
  • the flakes thus prepared can then For example, be easily removed from the process water by flotation.
  • these aluminum salts such as aluminum sulfate, disadvantageous, inter alia because this addition leads to a salification in the process water in the wastewater or in the pulp suspension.
  • the sulphate ions contained in waste water are reduced to sulphide ions in the subsequent biological wastewater treatment, which is associated with an odor nuisance and bacterial growth, which makes it more difficult to reuse the purified wastewater.
  • a further disadvantage of using a metal salt, such as aluminum sulfate is that this is hardly effective at a neutral pH at which the fibrous web is preferably produced, because at such a pH, in particular the sizing effect in combination with the sizing effect The fibrous suspension existing resin glue is absent. Therefore, instead of metal salts cationic polymers are increasingly used for this purpose, which are very expensive.
  • the metal ions such as aluminum ions
  • the metal ions can also be produced by electrolysis and thereby introduced into the liquid or dispersion to be treated, wherein an aluminum anode and a cathode are used in the electrolysis.
  • electrolysis the following reactions take place:
  • the electrolytically produced aluminum ions may also be used to effect coagulation or flocculation of contaminants colloidally dissolved in a liquid, which simplifies according to the following equation:
  • the insoluble [Al 3+ 1 impurity] agglomerate is a seed for the growth of Al (OH) 3 flakes according to the following equation:
  • a further disadvantage of the above-described process for the electrolytic production of aluminum ions is that it sets the ratio of the amount of anodized aluminum ions to the amount of cathodically produced hydroxide ions by the stoichiometry of equation (1), and therefore does not relate individually to this Process in which these aluminum ions are used, can be customized and optimized. For the same reason, the pH of the electrolyzed liquid or dispersion can not be adjusted, since this results from the reaction mechanism.
  • the object of the present invention is therefore to provide a method for treating a liquid or a dispersion with metal ions using electrolytically produced metal ions, in which the aforementioned disadvantages are avoided and in particular the efficiency of the method based on the amount of metal ions used is increased and the kinetics of the reaction and the pH can be easily and reliably controlled during the reaction, so that this method is particularly excellent for supporting the sizing and / or fixing of impurities and / or increasing the retention of a pulp suspension used in papermaking and / or for coagulation and / or flocculation of compounds dissolved or dispersed in a liquid.
  • this object is achieved by a method for treating a liquid or dispersion with metal ions, in particular for coagulation and / or flocculation of compounds dissolved or dispersed in a liquid by means of metal ions or for the reaction of metal ions with dissolved or dispersed in a liquid
  • a method for treating a liquid or dispersion with metal ions in particular for coagulation and / or flocculation of compounds dissolved or dispersed in a liquid by means of metal ions or for the reaction of metal ions with dissolved or dispersed in a liquid
  • the efficiency of a process for treating a liquid or a dispersion with metal ions can be increased by using electrolytically produced metal ions, and the kinetics of the reaction and the pH during the reaction can be easily and reliably controlled if the electrolysis used to produce the metal ions is carried out in a two-chamber electrolysis cell with an anode and cathode separated by a membrane and / or a diaphragm.
  • An increase in the process efficiency is achieved in the method according to the invention, in particular, because due to the spatial separation of the anode and the cathode in the two-chamber electrolysis cell, the metal ions are generated spatially separated from the hydroxide ions, so that not immediately after the metal ions after electrolysis have traveled a certain distance, an aluminum hydroxide flocculation reaction according to the above equation (2) or a floc growth reaction according to the above equation (5) takes place, as a result of which the metal ions are consumed and are no longer available for the desired reaction.
  • the aluminum hydroxide flocculation reaction according to the above equation (2) and the floc growth reaction according to the above equation (5) become the reaction desired in the process of the present invention, such as the agglomeration reaction according to the equation (3) for promoting sizing or according to the equation (4) for fixing impurities which are coupled to each other in the above methods according to the prior art decoupled. Due to the two-chamber electrolysis cell, the reaction no longer takes place according to the above summation equation (1) during electrolysis, but only separately from one another the following reactions:
  • the spatial separation of the anode and cathode reaction in the two-chamber electrolysis cell also used in the treatment process ratio of the anodized metal ions and the cathodically produced hydroxide ions in the liquid or dispersion to be treated can be individually adapted to the process or optimized by the metal ions containing and withdrawn from the anode compartment current at a desired time, a corresponding amount of the hydroxide ions containing and withdrawn from the cathode compartment stream is added. Due to this, in the method according to the invention, in particular, the pH of the reaction mixture can be set exactly to a desired value without the addition of further pH adjusting agents. Overall, the method according to the invention thus allows simple and reliable control of the kinetics of the metal ions involved.
  • the inventive method excellent especially to support the sizing and / or fixing of impurities and / or to increase the retention of pulp suspension used in papermaking and / or coagulation and / or Flocculation of dissolved or dispersed in a liquid compounds is suitable.
  • the cathodically formed hydrogen can be separated from the liquid electrolyzed in the cathode compartment and used in a method other than the method according to the invention, such as in a fuel cell, so as to increase the overall energy balance.
  • a method other than the method according to the invention such as in a fuel cell
  • at least some of the cathodically produced hydroxide solution outside the method according to the invention can also be used, for example, in another part of the paper machine, for example in a lime trap or in an alkaline cleaning step carried out in the paper machine.
  • any membrane or each diaphragm can be used, which (s) for the components dissolved in the liquid contained in the anode compartment of the electrolysis cell and for the components dissolved in the liquid contained in the cathode compartment of the electrolytic cell is impermeable or at least less permeable.
  • a semipermeable membrane and / or a semi-permeable diaphragm is used, ie a membrane or diaphragm which is permeable to liquids but is not permeable to compounds and gases dissolved in the liquid.
  • the membrane or the diaphragm is insoluble for the aluminum ions formed in the anode space and for the hydroxide ions formed in the cathode space and the hydrogen gas formed in the cathode space.
  • a semipermeable membrane is used as the membrane, which is composed of an ionomer, such as sulfonated polytetrafluoroethylene, which is commercially available from DuPont under the trade name Nafion ® , because of such Materials composite membranes for dissolved aluminum ions, dissolved hydroxide ions and hydrogen gas are sufficiently impermeable.
  • an ionomer such as sulfonated polytetrafluoroethylene
  • Suitable materials for the diaphragm are clay, ceramic and glass.
  • metal ions which have the desired effect to a sufficient extent can be introduced into the liquid or dispersion to be treated.
  • the metal ions are selected from the group consisting of iron ions, magnesium ions, cobalt ions, nickel ions, copper ions, zinc ions, titanium ions, aluminum ions, and any mixtures of two or more of the aforementioned ions.
  • Iron ions are particularly preferably introduced into the liquid or dispersion to be treated, in particular for use in wastewater purification, and / or aluminum ions, with aluminum ions being very particularly preferred.
  • an anode which is made of metal or metals.
  • sammenget is whose or their ions to be introduced into the liquid.
  • the anode accordingly consists of aluminum.
  • an inert cathode such as a carbon cathode or a metal cathode such as an aluminum cathode may be used.
  • a gas diffusion cathode which is supplied during the electrolysis of an oxygen-containing gas.
  • the supply of the oxygen-containing gas to the cathode has the advantage that no hydrogen gas is developed during the electrolysis at the cathode, because the electrolysis in this case, for example when using an aluminum anode, proceeds as follows:
  • Gas diffusion electrodes are catalyst-containing electrodes in which the three states of matter solid (electrode material), liquid (electrolyte) and gaseous (oxygen containing gas) are in contact with each other and the catalyst catalyzes an electrochemical reaction between the liquid and the gaseous phase.
  • the electrochemical conversion takes place at the three-phase boundary, which is the region of the gas diffusion electrode in which the liquid electrolyte, the gas and the metallic conductor are in contact with each other.
  • the gas diffusion electrode may be composed of a material which simultaneously functions as an electrical conductor, ie electrode material, and as a catalyst.
  • the gas diffusion electrode is composed of at least two different materials, at least one of which acts as an electrical conductor and at least one other as a catalyst. Good results are achieved, in particular, when a gas diffusion cathode is used as the cathode, which is composed of an electrically conductive carrier, which is at least partially coated with a catalytically active material.
  • the carrier preferably has a large surface area, based on its volume, which is achieved, for example, in that the carrier is designed as a porous sheet, preferably in the form of a net, a woven fabric, a braid, a knitted fabric , a fleece or a foam.
  • the carrier preferably consists of a material which is inert to the electrolysis conditions, such as, for example, carbon or stainless steel.
  • the catalytically active coating can be a metal or metal oxide, such as, for example, silver oxide, platinum, palladium or manganese dioxide, which can be bound to the carrier in the form of small particles with a binder.
  • a porous gas diffusion layer may be applied to the support, which consists for example of a mixture of carbon and binder, such as polytetrafluoroethylene.
  • the support which consists for example of a mixture of carbon and binder, such as polytetrafluoroethylene.
  • it is provided to carry out the electrolysis in such a way that an oxygen-containing liquid is passed through the cathode space.
  • hydrogen peroxide which can be used as an antibacterial for treating wastewater, is formed, according to the equation:
  • the electrolysis can be carried out either at a constant voltage between the electrodes or at a constant current.
  • the connection or disconnection of individual electrolysis reactors can be helpful here.
  • the method according to the invention can be carried out in situ or ex situ.
  • In situ process control is understood in this context to mean that the metal ions are dissolved or dispersed directly in the liquid or dispersion in which the compounds which are to be coagulated and / or flocculated or which are to be reacted with the metal ions , be generated.
  • an ex situ process procedure is understood to mean that the metal ions are in a different liquid or dispersion than the one in which the compounds which are to be coagulated and / or flaked or which are to be reacted with the metal ions , dissolved or dispersed, are produced and the thus electrolyzed liquid or dispersion later with the liquid or dispersion in which the compounds which are to coagulate and / or flake or which are to be reacted with the metal ions dissolved or dispersed are mixed.
  • the method according to the invention is also particularly suitable for carrying out the ex situ process guidance, in particular in the case in which the liquid or dispersion electrolysed in the anode chamber has to be passed through long pipes or other lines, before they can the liquid or dispersion to be treated is mixed.
  • metal ion formation takes place in-situ, during the electrolysis, the liquid or dispersion in which the compounds which are to be coagulated and / or flaked or which are to be reacted with the metal ions , dissolved or dispersed, passed through the anode compartment of the electrolysis cell and electrolyzed there.
  • the thus treated, ie, dissolved with dissolved metal ions liquid in which the aluminum ions, for example, perform one of the reactions according to the above equations (3) and (4) is then removed from the anode compartment of the electrolytic cell and, depending on the specific nature and amount of fixing impurities and / or the type and amount of the coagulated and / or flocculent compounds, with a more or less large partial flow or full flow of the withdrawn from the cathode compartment of the electrolytic cell current mixed, for example, to initiate the reaction according to the above equation (5) and / or to adjust a suitable pH in the liquid or dispersion.
  • the liquid or dispersion may be added to another pH adjusting agent to adjust the desired pH.
  • the mixing between the liquid or dispersion electrolysed in the anode compartment of the electrolysis cell and the liquid or dispersion electrolysed in the cathode compartment of the electrolysis cell can in principle take place in a fluid conduit, for example piping, as in the head box of a paper machine or in any suitable mixing device, such as in a tub provided with an agitating device.
  • a fluid conduit for example piping
  • any suitable mixing device such as in a tub provided with an agitating device.
  • the liquid from the cathode compartment or a part thereof is mixed with the liquid from the anode compartment or a part thereof by means of a static mixer or these are combined so that a homogeneous mixing can take place.
  • control and / or regulating circuits can be provided with which the volume flows of the liquids or a part of the liquids depending on the reactions, ie agglomeration, fixation, flaking, pH and the like , are adjustable. This preferably also applies to all embodiments described below.
  • the electrolysis in the cathode compartment is preferably carried out with water, and more preferably with water added with a salt, such as sodium chloride, to increase the conductivity.
  • a salt such as sodium chloride
  • the conductivity of the water is particularly preferably set to a value of at least 1 mS / cm.
  • a size suspension such as a resin paste suspension, an alkyl ketene dimer (AKD) suspension, or a suspension of alkylated succinic anhydride (ASA) may also be introduced into the cathode compartment.
  • An in-situ process procedure can also be carried out, for example, such that a first partial stream of the liquid or dispersion in which the compounds which are to be coagulated and / or flocculated or which are to be reacted with the metal ions are dissolved or dispersed, through the anode compartment and a second partial flow thereof through the cathode compartment of the electrolytic cell is performed before downstream of the electrolytic cell, a partial stream or the full flow of the withdrawn from the cathode compartment mixture is mixed with the withdrawn from the anode compartment of the electrolysis cell current.
  • the formation of metal ions takes place ex-situ, during which the electrolysis one of the liquid or dispersion, in which the compounds which are to be coagulated and / or flake or which are to be reacted with the metal ions, dissolved or dispersed, various liquid is passed through the anode compartment of the electrolysis cell and electrolyzed there and at least part of the liquid or dispersion stream discharged from the anode compartment of the electrolysis cell is subsequently dissolved or dispersed with the liquid or dispersion in which the compounds which are to be coagulated and / or flaked or which are to be reacted with the metal ions are mixed.
  • liquid or dispersion in which the compounds to be coagulated and / or flaked or which are to be reacted with the metal ions are dissolved or dispersed various liquid is preferably used water, and more preferably water in which a salt, such as sodium chloride, has been added to increase the conductivity.
  • the conductivity of the water is particularly preferably set to a value of at least 1 mS / cm.
  • an adhesive suspension such as a resin paste suspension, an alkyl ketene dimer (AKD) suspension, or a suspension of alkylated succinic anhydride (ASA) may be introduced into the anode compartment. The mixing of the withdrawn from the anode compartment of the electrolysis cell
  • Streams and the liquid or dispersion in which the compounds which are to be coagulated and / or flaked or which are to be reacted with the metal ions are dissolved or dispersed may be in a liquid conduit, for example pipeline, as in the head box of a paper machine , take place themselves or in any suitable mixing device, such as in a chest equipped with a stirring device.
  • the mixing is preferably carried out so that a homogeneous mixing of these liquid streams is ge365rred each other.
  • the liquid from the anode compartment or a part thereof in the radial direction into which the liquid or dispersion in which the compounds which are to be coagulated and / or flaked or which are to be reacted with the metal ions are dissolved or dispersed are metered in via one or more apertures distributed in the circumferential direction become.
  • the mixture thus prepared ie the liquid or dispersion mixed with dissolved metal ions, in which the aluminum ions carry out, for example, one of the reactions according to equations (3) and (4) above, can, depending on the specific nature and amount of the impurities to be fixed and / or or the nature and quantity of the compounds to be coagulated and / or flocculated are mixed with a more or less partial stream or with the full stream of the stream withdrawn from the cathode compartment of the electrolysis cell, for example the reaction according to equation (5) above initiate and / or to adjust a suitable pH in the liquid or dispersion.
  • the metering of the current drawn off from the cathode compartment of the electrolysis cell with the mixture is preferably offset in time so that the first reaction step of the metal ions with the reaction partners is largely completed before the metering of the withdrawn from the cathode compartment of the electrolysis cell current or a portion thereof he follows.
  • the aluminum ions can be used very efficiently.
  • a further portion of the liquid from the cathode space can then be added to the process stream for influencing the pH in the process stream. If the liquids are metered into the process stream flowing in a pipeline, then the metering location can be determined by the time offset of the metering and by the flow velocity.
  • a further pH adjusting agent to the liquid or dispersion in order to set the desired pH.
  • the Mixing of the mixture with the partial stream or with the full stream of withdrawn from the cathode compartment of the electrolysis cell stream can in turn take place in a liquid line, such as piping, such as in the headbox of a paper machine, or in any suitable mixing device, such as in a equipped with a stirring chute , The mixing is again preferably carried out so that a homogeneous mixing of these liquid streams is ge365rred each other.
  • the liquid from the anode space, leading channel via one or more circumferentially distributed openings are metered.
  • a glue suspension preferably a resin paste suspension, an alkyl ketene dimer (AKD) suspension or a suspension of alkylated succinic anhydride (ASA)
  • ASA alkylated succinic anhydride
  • the aforesaid embodiment may also be modified such that the mixing of the liquid or dispersion in which the compounds which are to be coagulated and / or flaked or which are to be reacted with the metal ions are dissolved or dispersed with that from the anode space the electrolysis cell withdrawn liquid and takes place simultaneously with the partial flow or with the full flow of the withdrawn from the cathode compartment of the electrolysis cell current.
  • the liquid or dispersion in which the compounds which are to be coagulated and / or flocculated or which are to be reacted with the metal ions or are dispersed, with a partial stream or the full flow of the withdrawn from the cathode compartment of the electrolysis cell stream to be mixed before the mixture thus produced at least a partial stream of the discharged from the anode compartment of the electrolytic cell liquid or dispersion stream.
  • the metal ion formation ex-situ by, during the electrolysis through the anode space and through the cathode space, one each of the liquid or dispersion in which the compounds which coagulate and / or to flake or which are to be reacted with the metal ions, dissolved or dispersed, various liquid, preferably water, is guided and electrolyzed and at least a part of the discharged from the anode space liquid or dispersion stream from the cathode compartment of the electrolysis cell discharged and mixed with it, before at least a portion of the liquid or dispersion stream thus produced with the liquid or dispersion in which the compounds which are to coagulate and / or flake or which d metal ions to be reacted, dissolved or dispersed, is mixed.
  • water is preferably used for the electrolysis both in the anode space and in the cathode space of the electrolytic cell whose conductivity has been adjusted by the addition of a salt, such as sodium chloride, to a value of at least 1 mS / cm.
  • a size suspension such as a resin paste suspension, an alkyl ketene dimer (AKD) suspension, or a suspension of alkylated succinic anhydride (ASA) may also be introduced into the anode compartment and into the cathode compartment.
  • the method according to the invention is particularly suitable for aiding the sizing and / or fixing of contaminants and / or increasing the retention of a pulp suspension used in papermaking.
  • process water is understood to mean a liquid or dispersion based on water, which is circulated in a plant, such as a paper machine.
  • wastewater is understood as meaning a liquid or dispersion based on water, which is discharged from a plant, such as a paper machine.
  • the process water or wastewater is purified prior to introduction of the metal ions in one or more biological purification stages.
  • the process water or wastewater is purified in several biological purification stages, preferably at least one anaerobic biological purification stage and at least one aerobic biological purification stage are used.
  • the activated sludge process, the trickling filter method, the immersion body method and the fixed bed reactor method are suitable for this purpose.
  • wet oxidation is understood to mean the chemical oxidation of organic compounds in a liquid phase.
  • wet oxidation can be achieved by the introduction of ozone or oxygen, optionally with high pressure and / or at elevated temperature, be brought about.
  • the wet oxidation is carried out electrochemically and / or UV-assisted.
  • electrochemical wet oxidation the electrolytic splitting of water produces radicals or strong oxidants such as ozone, OH-, O + .
  • inert electrodes preferably diamond electrodes, are preferably used.
  • the radicals or oxidants are generated by the irradiation of the wastewater with UV radiation. It is particularly preferable to carry out both an electrochemical wet oxidation and a UV-supported wet oxidation. As a result, in particular, colloidally dissolved impurities in the wastewater are oxidized by the wet oxidation and long-chain molecules are broken up. The broken-up molecules can then be degraded in the subsequent biological, preferably aerobic, purification stage.
  • the process water or wastewater has been purified prior to introduction of the metal ions in one or more biological purification stages, it is preferably conducted after the introduction of the metal ions in a separation stage with flake enlargement and flocculation.
  • the flocculation ie separation of the flocs from the liquid, can be effected by flotation, sedimentation, filtration or a similar process.
  • Another object of the present invention is a system comprising a device for coagulation and / or flocculation of dissolved or dispersed in a liquid compounds by means of metal ions or for the reaction of metal ions with dissolved or dispersed in a liquid compounds, in particular to help the sizing and / or for fixing impurities and / or for increasing the retention in a pulp suspension used in papermaking, which comprises an electrolytic cell containing an anode and a cathode, wherein in the electrolysis cell, a membrane and / or a diaphragm is provided, which (s) the electrolytic cell in an anode compartment containing the anode and a divided cathode containing cathode space.
  • this system also has a first mixing container and a second mixing container, the first mixing container having a first supply line for the liquid or dispersion in which the compounds which coagulate and / or flocculate or which are to be reacted with the metal ions, are dissolved or dispersed, a second supply line, which is connected to a discharge line of the anode compartment of the electrolysis cell or to a discharge line of the cathode compartment of the electrolytic cell, and has a discharge line leading into the second mixing container, wherein the second mixing container also has a supply line, which is connected to the discharge line of the anode compartment of the electrolysis cell, when the second supply line of the first Mischbenzol- ters is connected to the discharge line of the cathode compartment of the electrolysis cell, or with the discharge line of the cathode compartment the electrolysis cell is connected when the second supply line of the first mixing container is connected to the discharge line of the anode compartment of the electrolysis cell.
  • the plant according to the invention also has a mixing vessel, the mixing vessel having a first supply line connected to a discharge line of the anode compartment of the electrolytic cell and a second supply line connected to a discharge line of the cathode compartment Electrolytic cell is connected, as well as having a discharge line, which with a mixing vessel or a conduit for the liquid or dispersion in which the compounds which are to coagulate and / or flake or which are to be reacted with the metal ions dissolved or are dispersed.
  • the anode compartment of the electrolytic cell has a liquid or dispersion supply line in which the compounds to be coagulated and / or flaked or which are to be reacted with the metal ions are dissolved or dispersed are, and a discharge line for the electrolyzed liquid or dispersion, wherein the discharge line leads into a mixing container, in which also leads a discharge line of the cathode compartment of the electrolysis cell.
  • the plant according to the invention may be, for example, a machine for producing and / or finishing a paper, board or tissue fibrous web.
  • the plant is a plant for the purification of process water or wastewater from a machine for producing and / or finishing a paper, board or tissue fibrous web, the plant comprising at least one biological treatment stage, and wherein the electrolytic cell is located downstream of the at least one biological purification stage.
  • Fig. 2 is a schematic view of an electrolytic cell according to a
  • FIG. 3 shows a section of a system according to an embodiment of the present invention
  • Fig. 6 shows a detail of a system according to another embodiment of the present invention, a section of a system according to another Ausry tion of the present invention and
  • Fig. 8 shows a detail of a system according to another embodiment of the present invention.
  • the paper machine 8 shown in FIG. 1 has a stock preparation 10 in which fresh or recovered paper fibers are dissolved and treated. From there, the pulp suspension thus prepared reaches a mixing chest 12, in which the pulp suspension is mixed with water, fillers and additives, such as fixing or sizing agents, supplied via the supply lines 14, 16. Downstream of the mixing chest 12, a machine chest 18 is arranged, from which the pulp suspension passes into the constant part 20 arranged downstream of the machine chest 18.
  • a high-consistency accept which is essentially formed of processed fibers and fillers, is diluted with white water collected in the paper machine 8 and returned to the constant part 20, and then fed to the headbox 22 of the paper machine 8 arranged downstream of the constant part 20.
  • a former 24 for sheet formation from the fibrous web 26 produced and a press section are arranged for dewatering.
  • white water is collected and, as stated above, returned to the constant part 20 (not shown). Thereafter, the paper web is dried, possibly painted and smoothed, before it can be wound up.
  • an electrolysis cell 28 is provided in the paper machine 8, in which metal ions, in this case aluminum ions, are produced in the liquid or dispersion contained therein.
  • the electrolysis cell 28 may conveniently be integrated in a component of the paper machine 8 shown in FIG. 1, such as in the headbox 22.
  • the electrolytic cell 28 may be a separate component, into which, for example, water, to which preferably a guide salt has been added or a glue suspension is passed and there under Production of aluminum ions is electrolyzed before the electrolyzed, aluminum ion-containing medium is fed to the pulp suspension and mixed with this. This mixing can take place, for example, in the headbox 22.
  • the electrolysis cell 28 as shown in Figure 2, an anode 30 and a cathode 32, wherein the anode 30 to the positive pole 34 of a power supply, which is a DC voltage source in the present case, and the cathode 32 with the negative pole 36 of the power supply is connected.
  • a power supply which is a DC voltage source in the present case
  • the cathode 32 contains carbon as the electrode material.
  • a membrane 38 is further provided, which divides the electrolytic cell 28 into an anode compartment 40 and into a cathode compartment 42.
  • the anode compartment 40 comprises a liquid / dispersion supply line 44 for supplying liquid or dispersion into the anode compartment 40 and a liquid / dispersion discharge line 46 for removing liquid containing metal ions or dispersion from the anode compartment 40.
  • the cathode compartment 42 comprises a liquid / dispersion supply line 48 for supplying liquid or dispersion in the cathode space 42 and a liquid / dispersion discharge line 50 for removing hydroxide ions containing liquid or dispersion from the cathode space 42.
  • Both the liquid / dispersion discharge line 46 and the Liquid / dispersion discharge line 50 has a T-piece 52, 52 'through which the liquid / dispersion discharge lines 46, 50 are respectively divided into the partial flow lines 46', 54 and 50 ', 56.
  • the cathode space 42 comprises an oxygen supply line 58.
  • aluminum ions are formed at the anode 30, which are in the manner indicated by the anode electrode. dissolve 40 conducted liquid or dispersion. At the cathode 32, however, form hydroxide ions, due to the supply of oxygen but no hydrogen gas. In this case, the amount of aluminum ions formed during the electrolysis can be controlled via the applied voltage or the applied current intensity, wherein it is preferred that the voltage is kept constant during the electrolysis.
  • FIG. 3 shows a detail of a plant for aiding sizing in a pulp suspension used in papermaking according to an embodiment of the present invention.
  • oxygen supply line 58 same as the illustrated in Figure 2 designed electrolytic cell 28 is connected to a conduit 60 for pulp suspension, in such a way that led out of the anode compartment 40 liquid / dispersion discharge line 46, 46 'with the Partial flow line piece 46 'opens into the conduit 60 for pulp suspension.
  • the length of the liquid / dispersion discharge line 46 between its exit from the anode chamber 40 and its junction in the pipeline 60 is shown in FIG. 3 by the reference symbol A.
  • the partial flow line 50 'of the liquid / dispersion discharge line 50 leading out of the cathode space 42 opens into the conduit 60 for pulp suspension.
  • the distance between the point of discharge of the partial flow line 46' of the liquid / dispersion removal line 46 into the pipeline 60 and the mouth point the partial flow line 50 'in the conduit 60 is shown in Figure 3 by the reference numeral B.
  • a partial flow line 56 is provided, which downstream of the T-piece 52' has a further T-piece 52 ", by which this partial flow line 56 is divided into two partial flow lines 56 'and 56".
  • the partial power line 56 ' also in the conduit 60 for pulp suspension
  • the partial flow line 56 "leads to a collecting container (not shown) .A downstream of the point of the pipeline 60, at which the partial flow line 56 'opens into the pipeline 60, a pH meter 62 is provided.
  • the anode compartment 40 of the electrolytic cell 28 is supplied via the supply line 44 continuously a resin paste suspension and electrolyzed therein, so that form and dissolve in the resin paste suspension aluminum ions.
  • the cathode compartment 42 of the electrolytic cell 28 is supplied via the supply line 48 continuously with sodium chloride as conductive salt added water and electrolyzed therein, so that hydrogen gas and chloride ions form in the water.
  • the aluminum-containing resin paste suspension is continuously removed from the anode chamber 40 via the discharge line 46 and into the conduit 60, through which a pulp suspension flow is passed.
  • the electrolysis cell is subdivided by the membrane 38 into the anode space 40 and the cathode space 42 so that no chloridion ions get into the resin paste suspension located in the anode space 40, this suspension is stable, so that during the path length A no disturbing reactions take place.
  • the resin slurry containing aluminum ions mixes with the pulp suspension such that the aluminum ions, rosin size and fibers react to form agglomerates according to equation (3) above without this reaction occurring in that portion B of the conduit 60 is disturbed by hydroxide ions.
  • chloride ions introduced into the pipeline 60, which form flakes from the previously formed agglomerates.
  • chloride ions introduced into the pipeline 60 more chloride ions, which is done solely for the purpose of setting a suitable pH for the downstream components of the plant.
  • the system shown in FIG. 4 essentially corresponds to that shown in FIG. 3, except that the partial flow line 46 'of the liquid / dispersion discharge line 46 and the partial flow line 50' do not each open directly into the pipeline 60, but rather the partial flow line 46 'The liquid / dispersion discharge line 46 and the pipe 60 each open into a first mixing container 64 and the partial flow line 50' and the pipe 60 respectively open into a second mixing container 66.
  • the mixing containers 64, 66 there is a more effective mixing of the individual streams.
  • the time duration for the reaction between the resin paste suspension containing aluminum ions and the pulp suspension without chloride ions is determined by the residence time of the resin paste suspension in the first mixing tank 64 and by the residence time in the pipe section between the mixing tanks 64 and 66.
  • both the partial flow line 46 'of the liquid / dispersion discharge line 46 leading from the anode space 40 and the partial flow line 50' of the liquid / dispersion discharge line 50 leading from the cathode space 42 lead into a mixing tank 64, where both streams are mixed together before the mixture thus prepared is fed into the tubing 60 for pulp suspension.
  • the installation shown in FIG. 6 corresponds to the installation shown in FIG. 4, except that the partial flow line 46 'is connected to the system shown in FIG. space 40 leading liquid / dispersion discharge line 46 leads into the second mixing container 66 and the partial flow line 50 'of leading from the cathode space 42 liquid / dispersion discharge line 50 leads into the first mixing container 66.
  • the system shown in Figure 7 corresponds to the system shown in Figure 4, except that the first mixing tank 64 is not provided, but instead the part-flow line 46 'of leading from the anode compartment 40 liquid / dispersion discharge line 46 directly into the pipeline 60 leads to the pulp suspension.
  • the conduit 60 for the pulp suspension serves as a supply conduit into the anode compartment 40 of the electrolytic cell 28, so that the aluminum ions are generated and dissolved directly in the pulp suspension in the anode compartment 40 of the electrolytic cell 28. Therefore, in this system, the discharge line 46 leading from the anode compartment 40 leads directly into the mixing tank 64, in which also the partial flow line 50 'leads the liquid / dispersion discharge line 50 leading from the cathode compartment 42.

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Abstract

Ein Verfahren zum Behandeln einer Flüssigkeit oder Dispersion mit Metallionen, insbesondere zur Koagulation und/oder Flockung von in einer Flüssigkeit gelösten oder darin dispergierten Verbindungen mittels Metallionen oder zur Reaktion von Metallionen mit in einer Flüssigkeit gelösten oder darin dispergierten Verbindungen, umfasst das Einbringen von Metallionen in die Flüssigkeit bzw. Dispersion, welche durch Elektrolyse in einer eine Anode und eine Kathode umfassenden Elektrolysezelle hergestellt werden, wobei die Elektrolysezelle durch eine Membran und/oder ein Diaphragma in einen die Anode enthaltenden Anodenraum und einen die Kathode enthaltenden Kathodenraum unterteilt wird.

Description

Verfahren zum Behandeln von Flüssigkeiten und Dispersionen mit elektrolytisch unter Verwendung einer Zweikammer- Elektrolysezelle hergestellten Metallionen
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Behandeln einer Flüssigkeit oder Dispersion mit Metallionen, insbesondere zur Koagulation und/oder Flockung von in einer Flüssigkeit gelösten oder darin dispergier- ten Verbindungen mittels Metallionen oder zur Reaktion von Metallionen mit in einer Flüssigkeit gelösten oder darin dispergierten Verbindungen, insbesondere zur Unterstützung der Leimung und Fixierung von Störstoffen, bei dem in die Flüssigkeit bzw. Dispersion Metallionen eingebracht werden. Zudem betrifft die vorliegende Erfindung eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete Anlage.
Aufgrund ihrer koagulierenden und flockenbildenden Eigenschaften werden Metallionen, insbesondere dreiwertige Metallionen, wie Aluminiumionen oder Eisenionen, bei einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt, bei- spielsweise als Koagulationsmittel und/oder Flockungsmittel bei der Reinigung von Abwasser oder der Reinigung von Prozesswasser. Abgesehen davon werden Metallionen auch zur Reaktion mit in Flüssigkeiten gelösten oder darin dispergierten Verbindungen, insbesondere anionischen Verbindungen, eingesetzt.
Die vorgenannten Anwendungen sind insbesondere für die Behandlung von bei der Papierherstellung eingesetzten Faserstoffsuspensionen und Prozesswasser und von bei der Papierherstellung anfallendem Abwasser mit Metallionen bedeutsam. Dies liegt daran, dass der zunehmende Ein- satz von Ausschluss und Altpapier und die verstärkte Reduzierung des Frischwassereinsatzes bei der Papierherstellung in dem Prozesswasser und damit auch in der Faserstoffsuspension und in dem Abwasser zu einer Erhöhung der Konzentration an schädlichen oder störenden Sub- stanzen führen. Insbesondere tragen auch chemische Additive, wie beispielsweise Öle, Lösungsmittel, Harzleime, synthetische Leimungsmittel, Klebstoffe, Nassfestmittel, Retentionsmittel, Stärke, Biozidformulierungen, Dispergiermittel, Bleichchemikalien, Reinigungsmittel, Farbstoffe, Komplexbildner und Lösungsvermittler, welche der Faserstoffsuspension bei der Papierherstellung gezielt zugesetzt werden, zu einer Anreicherung kolloidal gelöster Störstoffe in der Faserstoffsuspension, in dem Prozesswasser und in dem Abwasser bei. Durch die hohe Konzentration an Störstoffen wird die Wirksamkeit der in der Faserstoffsuspension bzw. dem Prozesswasser enthaltenen meist kationischen Funktionschemikalien, wie Retentionspolymere, beträchtlich verringert. Abgesehen davon können die enthaltenen Störstoffe, da sich darunter leicht metabolisierbare Verbindungen befinden, zu einer erhöhten mikrobiologischen Aktivität, beispielsweise in Bütten, führen. Ferner werden durch die Anwesenheit von in der Faserstoffsuspension und in dem Prozesswasser insbesondere kol- loidal vorliegenden Störstoffen wesentliche Papiereigenschaften, wie Weiße, Opazität, Färbung, Geruch und Festigkeit des Papiers, beeinträchtigt. Aus diesen Gründen ist eine Entfernung oder eine Fixierung der Störstoffe in der Faserstoffsuspension, in dem Prozesswasser und in dem Abwasser notwendig.
Zur Entfernung von Störstoffen ist es bekannt, Prozesswasser oder Abwasser Metallsalze, insbesondere Aluminiumsalze, wie Aluminiumsulfat, zuzusetzen, um in das Prozesswasser Aluminiumionen einzubringen, welche eine Koagulation bzw. Flockung insbesondere von darin kolloidal ge- lösten Störstoffen bewirken. Die so hergestellten Flocken können dann beispielsweise durch Flotation einfach aus dem Prozesswasser entfernt werden. Abgesehen davon ist es auch bekannt, Faserstoffsuspensionen Aluminiumsalze zuzusetzen, um in das Prozesswasser Aluminiumionen einzubringen, welche die Leimung unterstützen und Störstoffe fixieren. Allerdings ist der Zusatz dieser Aluminiumsalze, wie Aluminiumsulfat, nachteilhaft, u.a. weil dieser Zusatz zu einer Aufsalzung in dem Prozesswasser, in dem Abwasser bzw. in der Faserstoffsuspension führt. Zudem werden die in Abwasser enthaltenen Sulfationen bei der späteren biologischen Abwasserbehandlung zu Sulfidionen reduziert, was mit einer Ge- ruchsbelästigung und mit Bakterienwachstum verbunden ist, wodurch eine Wiederverwertung des aufgereinigten Abwassers erschwert wird. Ein weiterer Nachteil der Verwendung eines Metallsalzes, wie Aluminiumsulfat, liegt darin, dass dies bei einem neutralen pH-Wert, bei dem die Faserstoffbahn bevorzugt hergestellt wird, kaum wirksam ist, weil bei einem solchen pH-Wert insbesondere der Leimungseffekt in Kombination mit dem in der Faserstoffsuspension vorhandenen Harzleim ausbleibt. Daher werden für diesen Zweck anstelle von Metallsalzen vermehrt kationische Polymere eingesetzt, welche allerdings sehr teuer sind. Um den Einsatz von Metallsalzen zu vermeiden, können die Metallionen, wie Aluminiumionen, auch durch Elektrolyse hergestellt und dadurch in die zu behandelnde Flüssigkeit oder Dispersion eingebracht werden, wobei bei der Elektrolyse eine Aluminiumanode und eine Kathode eingesetzt werden. Bei dieser Elektrolyse laufen folgende Reaktionen ab:
( la) Anode: AI -> Al3+ + 3-e-
( lb) Kathode: 2-H2Q + 2-e- -> 2-OH- + H2 ig)
( 1) Gesamt: 2-A1 + 6·Η20 -> 2·Α13+ +6-OH- + 3·Η2 (g) Die Aluminiumionen reagieren dann sofort mit den in der Flüssigkeit bzw. Dispersion vorliegenden Störstoffen oder, falls keine mit Aluminiumionen reaktiven Störstoffe vorliegen, mit der Zeit mit Hydroxidionen gemäß (2) Al3+ + 3-OH- -> Al(OH)3 (s) zu schwer löslichen Aluminiumhydroxidflocken, welche als Flockungsmittel wirken. Wie vorstehend dargelegt, können die gemäß der vorstehenden Gleichung ( 1) elektrolytisch hergestellten Aluminiumionen dazu genutzt werden, um mit in einer Suspension vorliegenden Komponenten zu reagieren, um beispielsweise verschiedene Komponenten, wie Harzleim an Fasern, zu binden. Diese Reaktion verläuft vereinfacht gemäß nachfolgender Gleichung:
(3) Al3+ + Leim + Fasern (s)— » [Al3+ 1 Leim | Fasern] -Agglomerat (s).
Alternativ dazu können die elektrolytisch hergestellten Aluminiumionen auch dazu genutzt werden, um eine Koagulation bzw. Flockung von in einer Flüssigkeit kolloidal gelösten Störstoffen zu bewirken, welche vereinfacht gemäß nachfolgender Gleichung verläuft:
(4) Al3+ + Störstoff -> [Al3+ 1 Störstoff] -Agglomerat (s). Dabei stellt das unlösliche [Al3+ 1 Störstoff] -Agglomerat einen Keim für das Wachstum von Al(OH) 3-Flocken gemäß nachfolgender Gleichung dar:
[Al3+ 1 Störstoff] -Agglomerat (s) + Al(OH)3 (s) -> [Al3+ 1 Störstoff] -Flocke. Die so gebildeten Flocken mit daran gebundenen Störstoffen können dann solange agglomerieren, bis eine Flockengröße erreicht ist, welche eine Abtrennung aus der Flüssigkeit mit üblichen Trennverfahren, wie Flotation, Sedimentation oder Filtration, erlaubt.
Allerdings ist die Effizienz der vorstehenden Verfahren unter Verwendung von elektrolytisch hergestellten Aluminiumionen gering. Beispielsweise wird bei der Verwendung der wie vorstehend beschrieben elektrolytisch hergestellten Aluminiumionen in einem Verfahren zur Flockung von in biologisch geklärtem Abwasser verbliebenen Verunreinigungen nur eine auf die eingesetzte Menge an Aluminiumionen bezogene Flockungseffizienz von maximal 10 % erreicht. Dies liegt unter anderem darin begründet, dass bei den vorstehend beschriebenen Verfahren unter Verwendung der elektrolytisch erzeugten Aluminiumionen die Kinetik nur schwer zu steu- ern ist. Einem an der Anode gemäß der Gleichung ( la) gebildeten Aluminiumion steht nämlich in der elektrolysierten Flüssigkeit bzw. Dispersion nur eine begrenzte Wegstrecke für die beabsichtigte Koagulation von Verbindungen bzw. Reaktion mit Verbindungen beispielsweise gemäß den Gleichungen (3) und (4) zur Verfügung, bevor das Aluminiumion mit ka- thodisch gemäß der Gleichung ( lb) gebildeten Hydroxidionen gemäß der Gleichung (2) zu Aluminiumhydroxidflocken reagiert, ausfällt und somit für die beabsichtigte Reaktion nicht mehr zur Verfügung steht. Diese maximale Wegstrecke lässt sich durch die Einstellung von Verfahrensparametern bei der Elektrolyse, wie Strom und/oder Volumenfluss, nur sehr begrenzt beeinflussen. Aus diesem Grund ist es mit diesen Verfahren auch nicht möglich, die Metallionen durch Elektrolyse einer von der zu behandelnden Flüssigkeit bzw. Dispersion verschiedenen Flüssigkeit, wie beispielsweise Wasser, herzustellen und die so elektrolysierte Flüssigkeit über längere Rohrleitungen zu der zu behandelnden Flüssigkeit bzw. Dis- persion zu führen und damit zu vermischen, weil die in der Flüssigkeit enthaltenen Metallionen in der Rohrleitung mit den ebenfalls in der Flüssigkeit enthaltenen Hydroxidionen in einer Reaktion gemäß der Gleichung (2) reagieren würden und dann später in der zu behandelnden Flüssigkeit bzw. Dispersion nicht mehr oder zumindest nicht in einer ausreichenden Menge zur Verfügung stehen würden.
Ein weiterer Nachteil des vorstehend beschriebenen Verfahrens zur elektrolytischen Herstellung von Aluminiumionen ist, dass mit diesem das Verhältnis der Menge von anodisch hergestellten Aluminiumionen zu der Menge an kathodisch hergestellten Hydroxidionen durch die Stöchiometrie der Gleichung ( 1) festgelegt ist und dieses Verhältnis daher nicht individuell auf das Verfahren, in dem diese Aluminiumionen eingesetzt werden, individuell angepasst und optimiert werden kann. Aus dem gleichen Grund lässt sich der pH-Wert der elektrolysierten Flüssigkeit bzw. Disper- sion nicht einstellen, da sich dieser aus dem Reaktionsmechanismus ergibt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren zum Behandeln einer Flüssigkeit oder einer Dispersion mit Metallionen unter Verwendung von elektrolytisch hergestellten Metallionen bereitzustellen, bei dem die vorgenannten Nachteile vermieden werden und insbesondere die auf die Menge an eingesetzten Metallionen bezogene Effizienz des Verfahrens erhöht ist sowie die Kinetik der Reaktion und der pH-Wert während der Reaktion einfach und zuverlässig gesteuert werden können, so dass dieses Verfahren insbesondere hervorragend zur Unterstützung der Leimung und/ oder zum Fixieren von Störstoffen und/ oder zur Erhöhung der Retention bei einer bei der Papierherstellung eingesetzten Faserstoffsuspension und/oder zur Koagulation und/oder Flockung von in einer Flüssigkeit gelösten oder darin dispergierten Verbindungen geeignet ist. Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zum Behandeln einer Flüssigkeit oder Dispersion mit Metallionen, insbesondere zur Koagulation und/oder Flockung von in einer Flüssigkeit gelösten oder darin dispergierten Verbindungen mittels Metallionen oder zur Reak- tion von Metallionen mit in einer Flüssigkeit gelösten oder darin dispergierten Verbindungen, bei dem in die Flüssigkeit bzw. Dispersion Metallionen eingebracht werden, welche durch Elektrolyse in einer eine Anode und eine Kathode umfassenden Elektrolysezelle hergestellt werden, wobei die Elektrolysezelle durch eine Membran und / oder ein Diaphragma in einen die Anode enthaltenden Anodenraum und einen die Kathode enthaltenden Kathodenraum unterteilt wird.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wurde erkannt, dass die Effizienz eines Verfahrens zum Behandeln einer Flüssigkeit oder einer Dispersion mit Metallionen unter Verwendung von elektrolytisch hergestellten Metallionen erhöht werden kann sowie die Kinetik der Reaktion und der pH- Wert während der Reaktion einfach und zuverlässig gesteuert werden können, wenn die zur Herstellung der Metallionen eingesetzte Elektrolyse in einer Zweikammer- Elektrolysezelle mit durch eine Membran und/oder ein Diaphragma räumlich voneinander getrennten Anode und Kathode durchgeführt wird. Eine Steigerung der Verfahrenseffizienz wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren insbesondere deshalb erreicht, weil aufgrund der räumlichen Trennung der Anode und der Kathode in der Zweikammer-Elektrolysezelle die Metallionen räumlich getrennt von den Hyd- roxidionen erzeugt werden, so dass nicht unmittelbar nachdem die Metallionen nach der Elektrolyse eine gewisse Wegstrecke zurückgelegt haben eine Aluminiumhydroxidflockenbildungsreaktion gemäß der vorstehenden Gleichung (2) oder eine Flockenwachstumsreaktion gemäß der vorstehenden Gleichung (5) stattfindet, infolge der die Metallionen verbraucht wer- den und nicht mehr für die gewünschte Reaktion zur Verfügung stehen. Mit anderen Worten werden durch die erfindungsgemäß in einer Zweikammer-Elektrolysezelle durchgeführte Elektrolyse die Aluminiumhydro- xidflockenbildungsreaktion gemäß der vorstehenden Gleichung (2) und die Flockenwachstumsreaktion gemäß der vorstehenden Gleichung (5) von der in dem erfindungsgemäßen Verfahren gewünschten Reaktion, wie der Agglomerationsreaktion gemäß der Gleichung (3) zur Unterstützung der Leimung oder gemäß der Gleichung (4) zur Fixierung von Störstoffen, welche bei den vorstehenden Verfahren gemäß dem Stand der Technik miteinander gekoppelt sind, entkoppelt. Aufgrund der Zweikammer- Elektrolysezelle findet bei der Elektrolyse nicht mehr die Reaktion gemäß der vorstehenden Summengleichung ( 1) statt, sondern nur noch getrennt voneinander die folgenden Reaktionen:
(6) Anodenraum: AI -> Al3+ + 3-e- (7) Kathodenraum: 2·Η20 + 2-e- -> 2-OH- + H2 (g)
Aufgrund der räumlichen Trennung der Anoden- und Kathodenreaktion in der Zweikammer- Elektrolysezelle kann zudem das in dem Behandlungsverfahren eingesetzte Verhältnis der anodisch hergestellten Metallionen und der kathodisch hergestellten Hydroxidionen in der zu behandelnden Flüssigkeit bzw. Dispersion individuell an das Verfahren angepasst bzw. optimiert werden, indem dem Metallionen enthaltenden und aus dem Anodenraum abgezogenen Strom zu einem gewünschten Zeitpunkt eine entsprechende Menge des die Hydroxidionen enthaltenden und aus dem Kathodenraum abgezogenen Stroms zugemischt wird. Aufgrund dessen lässt sich bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ohne Zugabe von weiteren pH-Einstellmitteln insbesondere auch der pH-Wert der Reaktionsmischung exakt auf einen gewünschten wert einstellen. Insgesamt erlaubt das erfindungsgemäße Verfahren somit die einfache und zuverlässige Steuerung der Kinetik der unter Beteiligung der Metallionen stattfinden- den Reaktion und des pH-Wertes während der Reaktion, weswegen das erfindungsgemäße Verfahren hervorragend insbesondere zur Unterstützung der Leimung und/ oder zum Fixieren von Störstoffen und/ oder zur Erhöhung der Retention bei einer bei der Papierherstellung eingesetzten Faserstoffsuspension und/oder zur Koagulation und/oder Flockung von in einer Flüssigkeit gelösten oder darin dispergierten Verbindungen geeignet ist.
Außerdem kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren der kathodisch gebildete Wasserstoff in einer bevorzugten Ausführungsform aus der in dem Kathodenraum elektrolysierten Flüssigkeit abgetrennt und in einem anderen als dem erfindungsgemäßen Verfahren, wie beispielsweise in einer Brennstoffzelle, genutzt werden, um so die Gesamtenergiebilanz zu erhöhen. Gleichermaßen kann zumindest auch ein Teil der kathodisch hergestellten Hydroxidlösung außerhalb des erfindungsgemäßen Verfahrens beispielsweise in einem anderen Teil der Papiermaschine genutzt werden, und zwar beispielsweise in einer Kalkfalle oder in einem in der Papiermaschine durchgeführten alkalischen Reinigungsschritt. Als Membran und/oder Diaphragma zur Unterteilung der Elektrolysezelle in einen die Anode enthaltenden Anodenraum und in einen die Kathode enthaltenden Kathodenraum kann jede Membran bzw. jedes Diaphragma eingesetzt werden, welche(s) für die in der in dem Anodenraum der Elektrolysezelle enthaltenen Flüssigkeit gelösten Bestandteile und für die in der in dem Kathodenraum der Elektrolysezelle enthaltenen Flüssigkeit gelösten Bestandteile undurchlässig oder zumindest wenig durchlässig ist. Vorzugsweise wird eine semipermeable Membran und / oder ein semipermeables Diaphragma eingesetzt, also ein(e) Membran bzw. Diaphragma, welches für Flüssigkeiten durchlässig ist, nicht aber für in der Flüssigkeit gelöste Verbindungen und Gase durchlässig ist. Insbesondere ist es bevor- zugt, wenn die Membran bzw. das Diaphragma unlöslich für die in dem Anodenraum gebildeten Aluminiumionen und für die in dem Kathodenraum gebildeten Hydroxidionen und das in dem Kathodenraum gebildete Wasserstoffgas ist.
In Weiterbildung des Erfindungsgedankens wird es vorgeschlagen, dass als Membran eine semipermeable Membran eingesetzt wird, welche aus einem Ionomer, wie beispielsweise aus sulfoniertem Polytetranuorethylen, welches von der Firma DuPont unter dem Handelsnamen Nafion® kom- merziell erhältlich ist, zusammengesetzt ist, weil aus solchen Materialien zusammengesetzte Membranen für gelöste Aluminiumionen, gelöste Hydroxidionen und Wasserstoffgas hinreichend undurchlässig sind.
Geeignete Materialien für das Diaphragma sind Ton, Keramik und Glas.
Grundsätzlich können in die zu behandelnde Flüssigkeit oder Dispersion alle Metallionen eingebracht werden, welche die angestrebte Wirkung in einem ausreichenden Ausmaß aufweisen. Gute Ergebnisse werden insbesondere erzielt, wenn die Metallionen aus der Gruppe ausgewählt werden, welche aus Eisenionen, Magnesiumionen, Kobaltionen, Nickelionen, Kupferionen, Zinkionen, Titanionen, Aluminiumionen und beliebigen Mischungen aus zwei oder mehr der vorgenannten Ionen besteht. Besonders bevorzugt werden in die zu behandelnde Flüssigkeit oder Dispersion Eisenionen, und zwar insbesondere für die Anwendung in der Abwasserreini- gung, und/oder Aluminiumionen eingebracht, wobei Aluminiumionen ganz besonders bevorzugt sind.
Um während der Elektrolyse die gewünschten Metallionen in die zu behandelnde Flüssigkeit oder Dispersion einzubringen, wird erfindungsge- mäß eine Anode eingesetzt, welche aus dem Metall bzw. den Metallen zu- sammengesetzt ist, dessen bzw. deren Ionen in die Flüssigkeit eingebracht werden sollen. Bei der ganz besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der in die zu behandelnde Flüssigkeit oder Dispersion Aluminiumionen eingebracht werden, besteht die Anode dem- entsprechend aus Aluminium.
Als Kathode kann eine inerte Kathode, wie beispielsweise eine Kohlenkathode, oder eine Metallkathode, wie eine Aluminiumkathode, eingesetzt werden.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann als Kathode eine Gasdiffusionskathode eingesetzt werden, der während der Elektrolyse ein Sauerstoff enthaltendes Gas zugeführt wird. Die Zuführung des Sauerstoff enthaltenden Gases an die Kathode weist den Vorteil auf, dass während der Elektrolyse an der Kathode kein Wasserstoffgas entwickelt wird, weil die Elektrolyse in diesem Fall, beispielsweise bei Einsatz einer Aluminiumanode, wie folgt abläuft:
(8) Anodenraum: AI -> Al3+ + 3-e- (9) Kathodenraum: H20 + l/2-02 + 2-e- -> 2-OH-.
Diese Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist insbesondere dann sinnvoll, wenn eine hohe Betriebssicherheit besonders wichtig ist, da Wasserstoff bekanntermaßen in Mischung mit Luft bei Wasserstoffkon- zentrationen von 4 und 77 Vol.-% explosives Knallgas ausbildet. Abgesehen davon kann so eine Beeinträchtigung des Verfahrens, beispielsweise der Flockung, durch in der Flüssigkeit bzw. Dispersion enthaltene Wasserstoffperlen zuverlässig vermieden werden. Gasdiffusionselektroden sind Katalysator enthaltende Elektroden, in denen die drei Aggregatzustände fest (Elektrodenmaterial), flüssig (Elektrolyt) und gasförmig (Sauerstoff enthaltendes Gas) miteinander in Kontakt stehen und der Katalysator eine elektrochemische Reaktion zwischen der flüssigen und der gasförmigen Phase katalysiert. Dabei findet der elektrochemische Umsatz an der Drei- Phasen-Grenze statt, welche der Bereich der Gasdiffusionselektrode ist, bei dem der flüssige Elektrolyt, das Gas und der metallischer Leiter miteinander in Kontakt stehen. Grundsätzlich kann die Gasdiffusionselektrode aus einem Material zusammengesetzt sein, welches gleichzeitig als elektrischer Leiter, also Elektrodenmaterial, und als Katalysator fungiert. Alternativ dazu ist es auch möglich und in der Praxis bevorzugt, dass die Gasdiffusionselektrode aus wenigstens zwei verschiedenen Materialien zusammengesetzt ist, von denen wenigstens eines als elektrischer Leiter und wenigstens ein anderes als Katalysator fungiert. Gute Ergebnisse werden insbesondere erzielt, wenn als Kathode eine Gasdiffusionskathode eingesetzt wird, welche aus einem elektrisch leitfähigen Träger, der zu- mindest bereichsweise mit einem katalytisch aktiven Material beschichtet ist, zusammengesetzt ist. Dabei weist der Träger bevorzugt, bezogen auf dessen Volumen, eine große Oberfläche auf, was beispielsweise dadurch erreicht wird, dass der Träger als poröses Flächengebilde ausgestaltet ist, und zwar bevorzugt in der Form eines Netzes, eines Gewebes, eines Ge- flechts, eines Gewirkes, eines Vlieses oder eines Schaumes. Dabei besteht der Träger vorzugsweise aus einem gegenüber den Elektrolysebedingungen inerten Material, wie beispielsweise aus Kohlenstoff oder Edelstahl. Bei der katalytisch aktiven Beschichtung kann es sich um ein Metall oder Metalloxid handeln, wie beispielsweise um Silberoxid, Platin, Palladium oder Mangandioxid, welches in Form von kleinen Partikeln mit einem Bindemittel an den Träger gebunden sein kann. Optional kann desweiteren auf dem Träger eine poröse Gasdiffusionsschicht aufgebracht sein, welche beispielsweise aus einer Mischung aus Kohlenstoff und Bindemittel, wie Polytetrafluorethylen, besteht. Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es vorgesehen, die Elektrolyse so durchzuführen, dass durch den Kathodenraum eine Sauerstoff enthaltende Flüssigkeit geführt wird. Auf diese Weise wird bei der Elektrolyse Wasserstoffperoxid, welches als Antibakterizid zur Behandlung von Abwasser eingesetzt werden kann, gebildet, und zwar gemäß der Gleichung:
02 + 2-H+ + 2-e- -> H202. Unabhängig von der Art der eingesetzten Kathode und unabhängig von dem Einsatz eines Sauerstoff enthaltenden Elektrolyten in dem Kathodenraum kann die Elektrolyse entweder bei konstanter Spannung zwischen den Elektroden oder bei konstanter Stromstärke erfolgen. Auch die Zu- oder Abschaltung einzelner Elektrolyse-Reaktoren kann hier hilfreich sein.
Grundsätzlich kann das erfindungsgemäße Verfahren in-situ oder ex-situ durchgeführt werden. Unter in-situ-Verfahrensführung wird in diesem Zusammenhang verstanden, dass die Metallionen direkt in der Flüssigkeit bzw. Dispersion, in welcher die Verbindungen, welche zu koagulieren und/oder zu flocken sind oder welche mit den Metallionen reagiert werden sollen, gelöst oder dispergiert sind, erzeugt werden. Hingegen wird in diesem Zusammenhang unter einer ex-situ-Verfahrensführung verstanden, dass die Metallionen in einer anderen Flüssigkeit bzw. Dispersion, als die, in welcher die Verbindungen, welche zu koagulieren und/oder zu flocken sind oder welche mit den Metallionen reagiert werden sollen, gelöst oder dispergiert sind, erzeugt werden und die so elektrolysierte Flüssigkeit bzw. Dispersion später mit der Flüssigkeit bzw. Dispersion, in welcher die Verbindungen, welche zu koagulieren und/oder zu flocken sind oder welche mit den Metallionen reagiert werden sollen, gelöst oder dispergiert sind vermischt wird. Aufgrund der räumlichen Trennung der Anodenraumreak- tion und der Kathodenraumreaktion durch die Membran bzw. das Diaphragma wird, wie vorstehend erläutert, aus dem Anodenraum nur Flüssigkeit bzw. Dispersion abgezogen, welche die bei der Anodenreaktion erzeugten Metallionen enthält, nicht aber die bei der Kathodenreaktion gebildeten Hydroxidionen enthält, so dass die vorstehende, Metallionen verbrauchende Reaktion (2) nicht stattfinden kann, bevor der in dem Anodenraum elektrolysierten Flüssigkeit bzw. Dispersion die in dem Kathodenraum elektrolysierte Flüssigkeit bzw. Dispersion zugeführt wird. Aus diesem Grund eignet sich das erfindungsgemäße Verfahren insbesondere auch zur Durchführung der ex- situ -Verfahrensführung, und zwar insbesondere in dem Fall, in dem die in dem Anodenraum elektrolysierte Flüssigkeit bzw. Dispersion durch lange Rohrleitungen oder andere Leitungen geführt werden muss, bevor diese mit der zu behandelnden Flüssigkeit bzw. Dispersion vermischt wird.
Mithin sind insbesondere die drei nachfolgenden besonders bevorzugten Ausführungsformen für die vorliegende Erfindung praktikabel.
Gemäß einer ersten besonders bevorzugten Ausführungsform der vorlie- genden Erfindung erfolgt die Metallionenbildung in-situ, indem während der Elektrolyse die Flüssigkeit bzw. Dispersion, in welcher die Verbindungen, welche zu koagulieren und/oder zu flocken sind oder welche mit den Metallionen reagiert werden sollen, gelöst oder dispergiert sind, durch den Anodenraum der Elektrolysezelle geführt und dort elektrolysiert wird. Die so behandelte, d.h. mit gelösten Metallionen versetzte Flüssigkeit, in der die Aluminiumionen beispielsweise eine der Reaktionen gemäß den vorstehenden Gleichungen (3) und (4) durchführen, wird dann aus dem Anodenraum der Elektrolysezelle abgeführt und, je nach konkreter Art und Menge der zu fixierenden Störstoffe und / oder der Art und Menge der zu koagulierenden und/oder zu flockenden Verbindungen, mit einem mehr oder weniger großen Teilstrom oder Vollstrom der aus dem Kathodenraum der Elektrolysezelle abgezogenen Strom vermischt, um beispielsweise die Reaktion gemäß der vorstehenden Gleichung (5) zu initiieren und/ oder, um in der Flüssigkeit bzw. Dispersion einen geeigneten pH-Wert einzustel- len. Dabei kann durch die Einstellung der Strömungsgeschwindigkeiten der einzelnen Volumenströme und durch die Einstellung der Länge der Rohrleitungen exakt der Zeitraum eingestellt werden, für den sich die aus dem Anodenraum der Elektrolysezelle abgezogene, die Metallionen enthaltende Flüssigkeit und die Flüssigkeit bzw. Dispersion, in welcher die Ver- bindungen, welche zu koagulieren und/oder zu flocken sind oder welche mit den Metallionen reagiert werden sollen, gelöst oder dispergiert sind, in Kontakt befinden, bevor die Hydroxidionen enthaltende Flüssigkeit zugegeben wird, und so exakt die mittlere Weglänge der einzelnen Metallionen eingestellt werden, bevor diese auf Hydroxidionen treffen. Je nach Bedarf kann der Flüssigkeit bzw. Dispersion noch ein weiteres pH-Einstellmittel zugegeben werden, um den gewünschten pH-Wert einzustellen. Dabei kann die Vermischung zwischen der in dem Anodenraum der Elektrolysezelle elektrolysierten Flüssigkeit bzw. Dispersion und der in dem Kathodenraum der Elektrolysezelle elektrolysierten Flüssigkeit bzw. Dispersion elektrolysierten Flüssigkeit bzw. Dispersion grundsätzlich in einer Flüssigkeitsleitung, beispielsweise Rohrleitung, wie in dem Stoffauflauf einer Papiermaschine, selbst stattfinden oder in jeder geeigneten Mischeinrichtung, wie in einer mit einer Rühreinrichtung versehenen Bütte. Bevorzugt wird die Flüssigkeit aus dem Kathodenraum oder ein Teil davon mit der Flüssigkeit aus dem Anodenraum oder einem Teil davon mittels eines statischen Mischers vermischt oder diese werden so zusammengeführt, dass eine homogene Vermischung stattfinden kann. Beispielsweise kann die Flüssigkeit aus dem Kathodenraum oder ein Teil davon in radialer Richtung in den die Flüssigkeit aus dem Anodenraum führenden Kanal über ein oder mehrere in Umfangsrichtung verteilte Öffnungen eindosiert werden. Für die Dosierungen der einzelnen Flüssigkeiten bzw. Dispersionen können Steuer- und/oder Regelkreise vorgesehen sein, mit denen die Volumenströme der Flüssigkeiten oder ein Teil der Flüssigkeiten in Abhängigkeit von den Reaktionen, d.h. Agglomeratbildung, Fixierung, Flo- ckenbildung, pH-Wert und dergleichen, einstellbar sind. Dies gilt vorzugsweise auch für alle nachfolgend beschriebenen Ausführungsvarianten.
Bei dieser Ausführungsform wird die Elektrolyse in dem Kathodenraum vorzugsweise mit Wasser und besonders bevorzugt mit Wasser, dem zur Erhöhung der Leitfähigkeit ein Salz, wie Natriumchlorid, zugegeben worden ist, durchgeführt. Dabei wird die Leitfähigkeit des Wassers besonders bevorzugt auf einen Wert von wenigstens 1 mS/cm eingestellt. Alternativ dazu kann in den Kathodenraum auch eine Leimsuspension, wie eine Harzleimsuspension, eine Alkylketendimer- (AKD-) Suspension oder eine Suspension aus alkyliertem Bernsteinsäureanhydrid (ASA), eingeführt werden.
Eine in-situ-Verfahrensführung kann beispielsweise auch so erfolgen, dass ein erster Teilstrom der Flüssigkeit bzw. Dispersion, in welcher die Verbindungen, welche zu koagulieren und/oder zu flocken sind oder welche mit den Metallionen reagiert werden sollen, gelöst oder dispergiert sind, durch den Anodenraum und ein zweiter Teilstrom hiervon durch den Kathodenraum der Elektrolysezelle geführt wird, bevor stromabwärts der Elektrolysezelle ein Teilstrom oder der Vollstrom des aus dem Kathodenraum abgezogenen Gemischs mit dem aus dem Anodenraum der Elektrolysezelle abgezogenen Strom vermischt wird.
Gemäß einer zweiten besonders bevorzugten Ausführungsform der vorlie- genden Erfindung erfolgt die Metallionenbildung ex-situ, indem während der Elektrolyse eine von der Flüssigkeit bzw. Dispersion, in welcher die Verbindungen, welche zu koagulieren und/oder zu flocken sind oder welche mit den Metallionen reagiert werden sollen, gelöst oder dispergiert sind, verschiedene Flüssigkeit durch den Anodenraum der Elektrolysezelle geführt und dort elektrolysiert wird und zumindest ein Teil des aus dem Anodenraum der Elektrolysezelle abgeführten Flüssigkeits- bzw. Dispersionsstroms anschließend mit der Flüssigkeit bzw. Dispersion, in welcher die Verbindungen, welche zu koagulieren und/oder zu flocken sind oder welche mit den Metallionen reagiert werden sollen, gelöst oder dispergiert sind, vermischt wird. Auch bei dieser Ausführungsform wird als von der Flüssigkeit bzw. Dispersion, in welcher die Verbindungen, welche zu koagulieren und/ oder zu flocken sind oder welche mit den Metallionen reagiert werden sollen, gelöst oder dispergiert sind, verschiedene Flüssigkeit vorzugsweise Wasser eingesetzt und besonders bevorzugt Wasser, dem zur Erhöhung der Leitfähigkeit ein Salz, wie Natriumchlorid, zugegeben worden ist. Dabei wird die Leitfähigkeit des Wassers besonders bevorzugt auf einen Wert von wenigstens 1 mS/cm eingestellt. Alternativ dazu kann in den Anodenraum auch eine Leimsuspension, wie eine Harzleimsuspension, eine Alkylketendimer- (AKD-) Suspension oder eine Suspension aus alkyliertem Bernsteinsäureanhydrid (ASA), eingeführt werden. Die Vermischung des aus dem Anodenraum der Elektrolysezelle abgezogenen
Stroms und der Flüssigkeit bzw. Dispersion, in welcher die Verbindungen, welche zu koagulieren und/ oder zu flocken sind oder welche mit den Metallionen reagiert werden sollen, gelöst oder dispergiert sind, kann in einer Flüssigkeitsleitung, beispielsweise Rohrleitung, wie in dem Stoffauflauf einer Papiermaschine, selbst stattfinden oder in jeder geeigneten Mischeinrichtung, wie in einer mit einer Rühreinrichtung ausgestatteten Bütte. Dabei erfolgt die Vermischung vorzugsweise so, dass eine homogene Vermischung dieser Flüssigkeitsströme miteinander gewährleitet ist. Bei- spielsweise kann die Flüssigkeit aus dem Anodenraum oder ein Teil davon in radialer Richtung in den die Flüssigkeit bzw. Dispersion, in welcher die Verbindungen, welche zu koagulieren und/oder zu flocken sind oder welche mit den Metallionen reagiert werden sollen, gelöst oder dispergiert sind, führenden Kanal über ein oder mehrere in Umfangsrichtung verteilte Öffnungen eindosiert werden.
Die so hergestellte Mischung, d.h. die mit gelösten Metallionen versetzte Flüssigkeit bzw. Dispersion, in der die Aluminiumionen beispielsweise eine der Reaktionen gemäß den vorstehenden Gleichungen (3) und (4) durchführen, kann je nach konkreter Art und Menge der zu fixierenden Störstoffe und/ oder der Art und Menge der zu koagulierenden und/ oder zu flockenden Verbindungen mit einem mehr oder weniger großen Teilstrom oder mit dem Vollstrom des aus dem Kathodenraum der Elektrolysezelle abgezogenen Stroms vermischt werden, um beispielsweise die Re- aktion gemäß der vorstehenden Gleichung (5) zu initiieren und/ oder, um in der Flüssigkeit bzw. Dispersion einen geeigneten pH-Wert einzustellen. Dabei erfolgt die Dosierung des aus dem Kathodenraum der Elektrolysezelle abgezogenen Stroms mit der Mischung vorzugsweise zeitlich so versetzt, dass der erste Reaktionsschritt der Metallionen mit den Reaktions- partnern weitgehend abgeschlossen ist, bevor die Dosierung des aus dem Kathodenraum der Elektrolysezelle abgezogenen Stroms oder eines Teils hiervon erfolgt. Die Aluminiumionen lassen sich so sehr effizient einsetzen. Optional kann dem Prozessstrom anschließend nach einer weiteren Zeitspanne ein weiterer Teil der Flüssigkeit aus dem Kathodenraum zur Beeinflussung des pH-Wertes im Prozessstrom zudosiert werden. Werden die Flüssigkeiten in den in einer Rohrleitung strömenden Prozessstrom eindosiert, so lässt sich der Dosierort über den Zeitversatz der Dosierung und über die Strömungsgeschwindigkeit bestimmen. Je nach Bedarf kann der Flüssigkeit bzw. Dispersion noch ein weiteres pH-Einstellmittel zuge- geben werden, um den gewünschten pH-Wert einzustellen. Auch die Ver- mischung der Mischung mit dem Teilstrom oder mit dem Vollstrom des aus dem Kathodenraum der Elektrolysezelle abgezogenen Stroms kann wiederum in einer Flüssigkeitsleitung, beispielsweise Rohrleitung, wie in dem Stoffauflauf einer Papiermaschine, selbst stattfinden oder in jeder geeigneten Mischeinrichtung, wie in einer mit einer Rühreinrichtung ausgestatteten Bütte. Dabei erfolgt die Vermischung wiederum vorzugsweise so, dass eine homogene Vermischung dieser Flüssigkeitsströme miteinander gewährleitet ist. Beispielsweise kann die Flüssigkeit aus dem Anodenraum oder ein Teil davon in radialer Richtung in den die Flüssigkeit bzw. Dispersion, in welcher die Verbindungen, welche zu koagulieren und/oder zu flocken sind oder welche mit den Metallionen reagiert werden sollen, gelöst oder dispergiert sind, führenden Kanal über ein oder mehrere in Umfangsrichtung verteilte Öffnungen eindosiert werden. Diese Ausführungsform eignet sich insbesondere zur Unterstützung der Leimung, wo- bei dann während der Elektrolyse in den Anodenraum eine Leimsuspension, vorzugsweise eine Harzleimsuspension, eine Alkylketendimer- (AKD-) Suspension oder eine Suspension aus alkyliertem Bernsteinsäureanhydrid (ASA), geführt wird. Die vorgenannte Ausführungsform kann auch so modifiziert werden, dass das Vermischen der Flüssigkeit bzw. Dispersion, in welcher die Verbindungen, welche zu koagulieren und/oder zu flocken sind oder welche mit den Metallionen reagiert werden sollen, gelöst oder dispergiert sind mit der aus dem Anodenraum der Elektrolysezelle abgezogenen Flüssigkeit und mit dem Teilstrom bzw. mit dem Vollstrom des aus dem Kathodenraums der Elektrolysezelle abgezogenen Stroms gleichzeitig stattfindet.
Alternativ dazu ist es auch möglich, zuerst die Flüssigkeit bzw. Dispersion, in welcher die Verbindungen, welche zu koagulieren und/oder zu flo- cken sind oder welche mit den Metallionen reagiert werden sollen, gelöst oder dispergiert sind, mit einem Teilstrom oder dem Vollstrom des aus dem Kathodenraums der Elektrolysezelle abgezogenen Stroms zu vermischen, bevor der so hergestellten Mischung zumindest ein Teilstrom des aus dem Anodenraum der Elektrolysezelle abgeführten Flüssigkeits- bzw. Dispersionsstroms zugeführt und damit vermischt wird.
Schließlich ist es gemäß einer dritten besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung auch möglich, die Metallionenbildung ex-situ durchzuführen, indem während der Elektrolyse durch den Anodenraum und durch den Kathodenraum jeweils eine von der Flüssigkeit bzw. Dispersion, in welcher die Verbindungen, welche zu koagulieren und / oder zu flocken sind oder welche mit den Metallionen reagiert werden sollen, gelöst oder dispergiert sind, verschiedene Flüssigkeit, bevorzugt Wasser, geführt und elektrolysiert wird und dem aus dem Anodenraum abgeführten Flüssigkeits- bzw. Dispersionsstrom zumindest ein Teil des aus dem Kathodenraum der Elektrolysezelle abgeführten, Hydroxidionen enthaltenden Flüssigkeitsstroms zugeführt und damit vermischt wird, bevor zumindest ein Teil des so hergestellten Flüssigkeits- bzw. Dispersionsstroms mit der Flüssigkeit bzw. Dispersion, in welcher die Verbindun- gen, welche zu koagulieren und/oder zu flocken sind oder welche mit den Metallionen reagiert werden sollen, gelöst oder dispergiert sind, vermischt wird. Dabei wird für die Elektrolyse sowohl in dem Anodenraum als auch in dem Kathodenraum der Elektrolysezelle vorzugsweise Wasser eingesetzt, dessen Leitfähigkeit durch die Zugabe eines Salzes, wie Natrium- chlorid, auf einen Wert von wenigstens 1 mS/cm eingestellt worden ist. Alternativ dazu können in den Anodenraum und in den Kathodenraum auch eine Leimsuspension, wie eine Harzleimsuspension, eine Alkylketen- dimer- (AKD-) Suspension oder eine Suspension aus alkyliertem Bernsteinsäureanhydrid (ASA), eingeführt werden. Wie dargelegt, eignet sich das erfindungsgemäße Verfahren insbesondere zur Unterstützung der Leimung und / oder zum Fixieren von Störstoffen und/ oder zur Erhöhung der Retention bei einer bei der Papierherstellung eingesetzten Faserstoffsuspension. Zudem eignet sich das erfindungsge- mäße Verfahren insbesondere auch zur Reinigung von Prozesswasser oder von Abwasser, insbesondere von Prozesswasser oder Abwasser einer Maschine zur Herstellung und/oder Veredlung einer Papier-, Karton-, Tissue- oder einer anderen Faserstoffbahn. Unter Prozesswasser wird im Sinne der vorliegenden Erfindung eine Flüssigkeit oder Dispersion auf Basis von Wasser verstanden, welche in einer Anlage, wie beispielsweise einer Papiermaschine, im Kreislauf geführt wird. Im Unterschied dazu wird im Sinne der vorliegenden Erfindung unter Abwasser eine Flüssigkeit oder Dispersion auf Basis von Wasser verstanden, welche aus einer Anlage, wie beispielsweise einer Papiermaschine, abgeführt wird.
Vorzugsweise wird das Prozesswasser bzw. Abwasser bei der letztgenannten Ausführungsform vor dem Einbringen der Metallionen in einer oder mehreren biologischen Reinigungsstufen gereinigt. Sofern das Prozesswasser bzw. Abwasser in mehreren biologischen Reinigungsstufen gerei- nigt wird, werden vorzugsweise wenigstens eine anaerobe biologische Reinigungsstufe und wenigstens ein aerobe biologische Reinigungsstufe eingesetzt. Für diesen Zweck geeignet sind beispielsweise das Belebtschlammverfahren, das Tropfkörperverfahren, das Tauchkörperverfahren und das Festbettreaktorverfahren.
Dabei ist es bevorzugt, wenn zwischen den einzelnen biologischen Reinigungsstufen eine Reinigungsstufe mit Nassoxidation durchgeführt wird. Als Nassoxidation wird hier die chemische Oxidation von organischen Verbindungen in einer flüssigen Phase verstanden. Dabei kann die Nass- oxidation durch die Einleitung von Ozon oder Sauerstoff, optional bei er- höhtem Druck und/oder bei erhöhter Temperatur, herbeigeführt werden. Alternativ dazu und aufgrund der höheren Effizienz bevorzugt wird die Nassoxidation elektrochemisch und/oder UV-gestützt durchgeführt. Bei der elektrochemischen Nassoxidation werden durch die elektrolytische Spaltung von Wasser Radikale oder starke Oxidationsmittel, wie Ozon, OH-, O+, hergestellt. Hierzu werden bevorzugt inerte Elektroden, vorzugsweise Diamantelektroden, eingesetzt. Bei der UV-gestützten Nassoxidation werden die Radikale oder Oxidationsmittel durch die Bestrahlung des Abwassers mit UV-Strahlung erzeugt. Besonders bevorzugt wird sowohl eine elektrochemische Nassoxidation als auch eine UV-gestützte Nassoxidation durchgeführt. Im Ergebnis werden durch die Nassoxidation insbesondere kolloidal gelöste Störstoffe im Abwasser oxidiert und langkettige Moleküle aufgebrochen. Die aufgebrochenen Moleküle können dann in der nachfolgenden biologischen, vorzugsweise aeroben Reinigungsstufe abge- baut werden.
Unabhängig davon, ob das Prozesswasser bzw. Abwasser vor dem Einbringen der Metallionen in einer oder mehreren biologischen Reinigungsstufen gereinigt worden ist, wird es nach dem Einbringen der Metallionen vorzugsweise in eine Abscheidungsstufe mit Flockenvergrößerung und Flockenabscheidung geführt. Dabei kann die Flockenabscheidung, also dass Abtrennen der Flocken von der Flüssigkeit, durch Flotation, Sedimentation, Filtration oder ein ähnliches Verfahren erfolgen. Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Anlage umfassend eine Vorrichtung zur Koagulation und / oder Flockung von in einer Flüssigkeit gelösten oder darin dispergierten Verbindungen mittels Metallionen oder zur Reaktion von Metallionen mit in einer Flüssigkeit gelösten oder darin dispergierten Verbindungen, insbesondere zur Unterstützung der Leimung und/oder zum Fixieren von Störstoffen und/oder zur Erhö- hung der Retention bei einer bei der Papierherstellung eingesetzten Faserstoffsuspension, welche eine eine Anode und eine Kathode enthaltende Elektrolysezelle umfasst, wobei in der Elektrolysezelle eine Membran und/oder ein Diaphragma vorgesehen ist, welche(s) die Elektrolysezelle in einen die Anode enthaltenden Anodenraum und einen die Kathode enthaltenden Kathodenraum unterteilt.
In Weiterbildung des Erfindungsgedankens wird es vorgeschlagen, dass diese Anlage zudem einen ersten Mischbehälter und einen zweiten Misch- behälter aufweist, wobei der erste Mischbehälter eine erste Zufuhrleitung für die Flüssigkeit bzw. Dispersion, in welcher die Verbindungen, welche zu koagulieren und/ oder zu flocken sind oder welche mit den Metallionen reagiert werden sollen, gelöst oder dispergiert sind, eine zweite Zufuhrleitung, welche mit einer Abfuhrleitung des Anodenraums der Elektrolysezel- le oder mit einer Abfuhrleitung des Kathodenraums der Elektrolysezelle verbunden ist, und eine in den zweiten Mischbehälter führende Abfuhrleitung aufweist, wobei der zweite Mischbehälter zudem eine Zufuhrleitung aufweist, welche mit der Abfuhrleitung des Anodenraums der Elektrolysezelle verbunden ist, wenn die zweite Zufuhrleitung des ersten Mischbehäl- ters mit der Abfuhrleitung des Kathodenraums der Elektrolysezelle verbunden ist, oder mit der Abfuhrleitung des Kathodenraums der Elektrolysezelle verbunden ist, wenn die zweite Zufuhrleitung des ersten Mischbehälters mit der Abfuhrleitung des Anodenraums der Elektrolysezelle verbunden ist.
Gemäß einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist die erfindungsgemäße Anlage zudem einen Mischbehälter auf, wobei der Mischbehälter eine erste Zufuhrleitung, welche mit einer Abfuhrleitung des Anodenraums der Elektrolysezelle verbunden ist, und eine zwei- ten Zufuhrleitung, welche mit einer Abfuhrleitung des Kathodenraums der Elektrolysezelle verbunden ist, sowie eine Abfuhrleitung aufweist, welche mit einem Mischbehälter oder einer Leitung für die Flüssigkeit bzw. Dispersion, in welcher die Verbindungen, welche zu koagulieren und/oder zu flocken sind oder welche mit den Metallionen reagiert werden sollen, ge- löst oder dispergiert sind, verbunden ist.
Gemäß einer noch weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist der Anodenraum der Elektrolysezelle eine Zufuhrleitung für die Flüssigkeit bzw. Dispersion, in welcher die Verbindungen, welche zu ko- agulieren und/ oder zu flocken sind oder welche mit den Metallionen reagiert werden sollen, gelöst oder dispergiert sind, und eine Abfuhrleitung für die elektrolysierte Flüssigkeit bzw. Dispersion auf, wobei die Abfuhrleitung in einen Mischbehälter führt, in welchen zudem eine Abfuhrleitung des Kathodenraums der Elektrolysezelle führt.
Bei der erfindungsgemäßen Anlage kann es sich beispielsweise um eine Maschine zur Herstellung und/oder Veredlung einer Papier-, Karton- oder Tissuefaserstoffbahn handeln. Gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung handelt es sich bei der Anlage um eine Anlage zur Reinigung von Prozesswasser oder Abwasser aus einer Maschine zur Herstellung und/oder Veredlung einer Papier-, Karton- oder Tissuefaserstoffbahn, wobei die Anlage wenigstens eine biologischen Reinigungsstufe umfasst, und wobei die Elektrolysezelle stromabwärts der wenigstens einen biologischen Reinigungsstufe angeordnet ist.
In Weiterbildung des Erfindungsgedankens wird es vorgeschlagen, dass zwischen der wenigstens einen biologischen Reinigungsstufe und der E- lektrolysezelle eine Reinigungsstufe mit Nassoxidation angeordnet ist. Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung rein beispielhaft anhand vorteilhafter Ausführungsformen und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
Dabei zeigen:
Fig. 1 einen schematischen Querschnitt eines Teils einer Papiermaschine,
Fig. 2 eine schematische Ansicht einer Elektrolysezelle gemäß eines
Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung,
Fig. 3 einen Ausschnitt einer Anlage gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung,
Fig. 4 einen Ausschnitt einer Anlage gemäß eines anderen Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung,
Fig. 5 einen Ausschnitt einer Anlage gemäß eines anderen Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung,
Fig. 6 einen Ausschnitt einer Anlage gemäß eines anderen Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung, einen Ausschnitt einer Anlage gemäß eines anderen Ausfüh rungsbeispiels der vorliegenden Erfindung und
Fig. 8 einen Ausschnitt einer Anlage gemäß eines anderen Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung. Die in der Figur 1 dargestellte Papiermaschine 8 weist eine Stoffaufbereitung 10 auf, in der Frisch- oder Altpapierfasern aufgelöst und behandelt werden. Von dort gelangt die so hergestellte Faserstoffsuspension zu einer Mischbütte 12, in der die Faserstoffsuspension mit über die Zufuhrleitungen 14, 16 zugeführtem Wasser, Füllstoffen und Additiven, wie Fixier-oder Leimungsmitteln, vermischt wird. Stromabwärts der Mischbütte 12 ist eine Maschinenbütte 18 angeordnet, von der die Faserstoffsuspension in den stromabwärts von der Maschinenbütte 18 angeordneten Konstantteil 20 gelangt. In dem Konstantteil 20 wird ein im Wesentlichen von aufbereiteten Fasern und Füllstoffen gebildeter, hochkonsistenter Gutstoff mit in der Papiermaschine 8 aufgefangenen und in den Konstantteil 20 zurückgeführten Siebwasser verdünnt und anschließend dem stromabwärts des Konstantteils 20 angeordneten Stoffauflauf 22 der Papiermaschine 8 zuge- führt. Hinter dem Stoffauflauf 22 sind ein Former 24 zur Blattbildung aus der hergestellten Faserstoffbahn 26 und eine Pressenpartie (nicht dargestellt) zur Entwässerung angeordnet. Das in diesen Bauteilen anfallende Siebwasser wird aufgefangen und, wie vorstehend dargelegt, in den Konstantteil 20 zurückgeführt (nicht dargestellt). Danach wird die Papierbahn getrocknet, eventuell gestrichen und geglättet, bevor sie aufgewickelt werden kann.
Erfindungsgemäß ist in der Papiermaschine 8 eine Elektrolysezelle 28 vorgesehen, in der in der darin enthaltenen Flüssigkeit oder Dispersion Metallionen, hier Aluminiumionen, hergestellt werden. Dabei kann die Elektrolysezelle 28 praktischerweise in einem in der Figur 1 gezeigten Bauteil der Papiermaschine 8 integriert sein, wie beispielsweise in dem Stoffauflauf 22. Alternativ dazu kann die Elektrolysezelle 28 ein separates Bauteil sein, in welches beispielsweise Wasser, dem vorzugsweise ein Leit- salz zugegeben wird, oder eine Leimsuspension geleitet und dort unter Erzeugung von Aluminiumionen elektrolysiert wird, bevor das elektroly- sierte, Aluminiumionen enthaltende Medium der Faserstoffsuspension zugeführt und mit dieser vermischt wird. Dieses Vermischen kann beispielsweise in dem Stoffauflauf 22 stattfinden.
Dabei enthält die Elektrolysezelle 28, wie in der Figur 2 dargestellt, eine Anode 30 und eine Kathode 32, wobei die Anode 30 mit dem positiven Pol 34 einer Spannungsversorgung, welche in dem vorliegenden Fall eine Gleichspannungsquelle ist, und die Kathode 32 mit dem negativen Pol 36 der Spannungsversorgung verbunden ist. Während die Anode 30 aus A- luminium besteht, enthält die Kathode 32 als Elektrodenmaterial Kohlenstoff. In der Elektrolysezelle 28 ist ferner eine Membran 38 vorgesehen, welche die Elektrolysezelle 28 in einen Anodenraum 40 und in einen Kathodenraum 42 unterteilt. Dabei umfasst der Anodenraum 40 eine Flüs- sigkeits-/ Dispersionszufuhrleitung 44 zur Zufuhr von Flüssigkeit bzw. Dispersion in den Anodenraum 40 sowie eine Flüssigkeits-/ Dispersionsabfuhrleitung 46 zur Abfuhr von Metallionen enthaltender Flüssigkeit bzw. Dispersion aus dem Anodenraum 40. Gleichermaßen umfasst der Kathodenraum 42 eine Flüssigkeits-/ Dispersionszufuhrleitung 48 zur Zufuhr von Flüssigkeit bzw. Dispersion in den Kathodenraum 42 sowie eine Flüssigkeits-/ Dispersionsabfuhrleitung 50 zur Abfuhr von Hydroxidionen enthaltender Flüssigkeit bzw. Dispersion aus dem Kathodenraum 42. Sowohl die Flüssigkeits-/ Dispersions-abfuhrleitung 46 als auch die Flüssigkeits-/ Dispersionsabfuhrleitung 50 weist ein T-Stück 52, 52' auf, durch welches die Flüssigkeits-/ Dispersionsabfuhrleitungen 46, 50 jeweils in die Teilstromleitungen 46', 54 und 50', 56 aufgeteilt werden. Schließlich umfasst der Kathodenraum 42 eine Sauerstoffzufuhrleitung 58.
Bei dem Betrieb der vorstehend erläuterten Elektrolysezellen 28 bilden sich an der Anode 30 Aluminiumionen, welche in der durch den Anoden- räum 40 geleiteten Flüssigkeit bzw. Dispersion gelöst werden. An der Kathode 32 hingegen bilden sich Hydroxidionen, aufgrund der Zufuhr von Sauerstoff jedoch kein Wasserstoffgas. Dabei kann die Menge der während der Elektrolyse gebildeten Aluminiumionen über die angelegte Spannung bzw. die angelegte Stromstärke gesteuert werden, wobei es bevorzugt ist, dass die Spannung während der Elektrolyse konstant gehalten wird.
In der Figur 3 ist ein Ausschnitt einer Anlage zur Unterstützung der Leimung bei einer bei der Papierherstellung eingesetzten Faserstoffsuspensi- on gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung dargestellt. Eine mit Ausnahme der hier nicht vorhandenen Sauerstoffzufuhrleitung 58 gleich wie die in der Figur 2 dargestellte ausgestaltete Elektrolysezelle 28 ist mit einer Rohrleitung 60 für Faserstoffsuspension verbunden, und zwar dergestalt, dass die aus dem Anodenraum 40 herausgeführte Flüssigkeits-/ Dispersionsabfuhrleitung 46, 46' mit dem Teilstromleitungsstück 46' in die Rohrleitung 60 für Faserstoffsuspension mündet. Die Länge der Flüssigkeits-/ Dispersionsabfuhrleitung 46 zwischen deren Austritt aus dem Anodenraum 40 und deren Einmündung in die Rohrleitung 60 ist in der Figur 3 mit dem Bezugszeichen A dargestellt. Stromabwärts dieser Mündungsstelle mündet in die Rohrleitung 60 für Faserstoffsuspension die Teilstromleitung 50' der aus dem Kathodenraum 42 herausführenden Flüssigkeits-/ Dispersionsabfuhrleitung 50. Der Abstand zwischen der Mündungsstelle der Teilstromleitung 46' der Flüssigkeits- / Dispersionsabfuhrleitung 46 in die Rohrleitung 60 und der Mündungs- stelle der Teilstromleitung 50' in die Rohrleitung 60 ist in der Figur 3 mit dem Bezugszeichen B dargestellt. An dem T-Stück 52' ist zudem eine Teilstromleitung 56 vorgesehen, welche stromabwärts des T-Stücks 52' ein weiteres T-Stück 52" aufweist, durch welches diese Teilstromleitung 56 in zwei Teilstromleitungen 56' und 56" aufgeteilt wird. Während die Teil- Stromleitung 56' ebenfalls in die Rohrleitung 60 für Faserstoffsuspension mündet, führt die Teilstromleitung 56" zu einem Sammelbehälter (nicht dargestellt). Stromabwärts der Stelle der Rohrleitung 60, an welcher die Teilstromleitung 56' in die Rohrleitung 60 mündet, ist ein pH-Messgerät 62 vorgesehen.
Bei dem Betrieb der in der Figur 3 dargestellten Anlage wird dem Anodenraum 40 der Elektrolysezelle 28 über die Zufuhrleitung 44 kontinuierlich eine Harzleimsuspension zugeführt und darin elektrolysiert, so dass sich in der Harzleimsuspension Aluminiumionen bilden und lösen. Gleicher- maßen wird dem Kathodenraum 42 der Elektrolysezelle 28 über die Zufuhrleitung 48 kontinuierlich mit Natriumchlorid als Leitsalz versetztes Wasser zugeführt und darin elektrolysiert, so dass sich in dem Wasser Wasserstoffgas und Chloridionen bilden. Dabei wird aus dem Anodenraum 40 über die Abfuhrleitung 46 kontinuierlich die Aluminiumionen enthaltende Harzleimsuspension abgeführt und in die Rohrleitung 60, durch welche ein Faserstoffsuspensionsstrom geführt wird, geleitet. Aufgrund der Tatsache, dass die Elektrolysezelle durch die Membran 38 in den Anodenraum 40 und den Kathodenraum 42 unterteilt ist, so dass in die in dem Anodenraum 40 befindliche Harzleimsuspension keine Chlori- dionen gelangen, ist diese Suspension stabil, so dass während der Weglänge A keine störenden Reaktionen stattfinden. Bei der Einmündung in die Rohrleitung 60 vermischt sich die Aluminiumionen enthaltende Harzleimsuspension mit der Faserstoffsuspension, so dass die Aluminiumionen, das Harzleim und die Fasern gemäß der vorstehenden Gleichung (3) zu Agglomeraten reagieren, und zwar ohne dass diese Reaktion in diesem Abschnitt B der Rohrleitung 60 von Hydroxidionen gestört wird. Erst am Ende des Abschnitts B, nämlich an der Mündungsstelle der Teilstromleitung 50' in die Rohrleitung 60 werden in die Rohrleitung 60 Chloridionen eingebracht, welche aus den zuvor gebildeten Agglomeraten Flocken bil- den. An der weiter stromabwärts liegenden Mündungsstelle zwischen der Teilstromleitung 56' und der Rohrleitung 60 werden in die Rohrleitung 60 weitere Chloridionen eingeführt, was ausschließlich zu dem Zweck der Einstellung eines geeigneten pH-Wertes für die stromabwärts stattfindenden Bauteile der Anlage erfolgt.
Die in der Figur 4 dargestellte Anlage entspricht im Wesentlichen der in der Figur 3 dargestellten, ausgenommen, dass die Teilstromleitung 46' der Flüssigkeits-/ Dispersionsabfuhrleitung 46 und die Teilstromleitung 50' nicht jeweils direkt in die Rohrleitung 60 münden, sondern die Teilstrom- leitung 46' der Flüssigkeits-/ Dispersionsabfuhrleitung 46 und die Rohrleitung 60 jeweils in einen ersten Mischbehälter 64 münden und die Teilstromleitung 50' und die Rohrleitung 60 jeweils in einen zweiten Mischbehälter 66 münden. In den Mischbehältern 64, 66 findet eine effektivere Vermischung der einzelnen Ströme statt. Dabei wird die Zeitdauer für die Reaktion zwischen der Aluminiumionen enthaltenden Harzleimsuspension und der Faserstoffsuspension ohne Chloridionen durch die Verweilzeit der Harzleimsuspension in dem ersten Mischbehälter 64 und durch die Verweilzeit in dem Leitungsabschnitt zwischen den Mischbehältern 64 und 66 bestimmt.
In der in der Figur 5 gezeigten Anlage führt sowohl die Teilstromleitung 46' der aus dem Anodenraum 40 führenden Flüssigkeits-/ Dispersionsabfuhrleitung 46 als auch die Teilstromleitung 50' der aus dem Kathodenraum 42 führenden Flüssigkeits-/ Dispersionsabfuhrleitung 50 in einen Mischbehälter 64, wo beide Ströme miteinander vermischt werden, bevor die so hergestellte Mischung in die Rohrleitung 60 für Faserstoffsuspension geleitet wird.
Die in der Figur 6 gezeigte Anlage entspricht der in der Figur 4 gezeigten Anlage, ausgenommen, dass die Teilstromleitung 46' der aus dem Anoden- räum 40 führenden Flüssigkeits-/ Dispersionsabfuhrleitung 46 in den zweiten Mischbehälter 66 führt und die Teilstromleitung 50' der aus dem Kathodenraum 42 führenden Flüssigkeits-/ Dispersionsabfuhrleitung 50 in den ersten Mischbehälter 66 führt.
Zudem entspricht die in der Figur 7 gezeigte Anlage der in der Figur 4 gezeigten Anlage, ausgenommen, dass der erste Mischbehälter 64 nicht vorgesehen ist, sondern anstatt dessen die Teilstromleitung 46' der aus dem Anodenraum 40 führenden Flüssigkeits-/ Dispersionsabfuhrleitung 46 direkt in die Rohrleitung 60 für die Faserstoffsuspension führt.
Schließlich führt in der in der Figur 8 gezeigten Anlage die Rohrleitung 60 für die Faserstoffsuspension als Zufuhrleitung in den Anodenraum 40 der Elektrolysezelle 28, so dass in dem Anodenraum 40 der Elektrolysezelle 28 die Aluminiumionen direkt in der Faserstoffsuspension erzeugt und gelöst werden. Daher führt bei dieser Anlage die aus dem Anodenraum 40 führende Abfuhrleitung 46 direkt in den Mischbehälter 64, in welchen auch die Teilstromleitung 50' der aus dem Kathodenraum 42 führenden Flüssigkeits-/ Dispersionsabfuhrleitung 50 führt.
Bezugszeichenliste:
8 Papiermaschine
10 Stoffaufbereitung
12 Mischbütte
14 Zufuhrleitung für Wasser
16 Zufuhrleitung für Additive und/ oder Füllstoffe
18 Maschinenbütte
20 Konstantteil
22 Stoffauflauf
24 Former
26 Faserstoffbahn
28 Elektrolysezelle
30 Anode
32 Kathode
34 positiver Pol einer Spannungsversorgung
36 negativer Pol einer Spannungsversorgung
38 Membran
40 Anodenraum
42 Kathodenraum
44 Flüssigkeits-/ Dispersionszufuhrleitung in den Anoden- räum
46 Flüssigkeits- /Dispersionsabfuhrleitung aus dem Anodenraum
48 Flüssigkeits-/ Dispersionszufuhrleitung in den Kathodenraum 50 Flüssigkeits-/ Dispersionsabfuhrleitung aus dem Kathodenraum
52, 52', 52" T-Stück
54, 46' Teilstromleitungen von Leitung 46
56, 56', 56", 50' Teilstromleitungen von Leitung 50
58 Sauerstoffzufuhrleitung
60 Rohrleitung für Faserstoffsuspension
62 pH-Messgerät
64 (erster) Mischbehälter
66 (zweiter) Mischbehälter
A Abstand zwischen dem Beginn der Abfuhrleitung aus dem Anodenraum und der Einmündung dieser in die Rohrleitung für Faserstoffsuspension
B Abstand zwischen der Mündungsstelle der Abfuhrleitung aus dem Anodenraum und der Mündungsstelle der Abfuhrleitung aus dem Kathodenraum in die Rohrleitung für Faserstoffsuspension

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Behandeln einer Flüssigkeit oder Dispersion mit
Metallionen, insbesondere zur Koagulation und/oder Flockung von in einer Flüssigkeit gelösten oder darin dispergierten Verbindungen mittels Metallionen oder zur Reaktion von Metallionen mit in einer Flüssigkeit gelösten oder darin dispergierten Verbindungen, bei dem in die Flüssigkeit bzw. Dispersion Metallionen eingebracht werden, welche durch Elektrolyse in einer eine Anode (30) und eine Kathode (32) umfassenden Elektrolysezelle (28) hergestellt werden, wobei die Elektrolysezelle (28) durch eine Membran (38) und/oder durch ein Diaphragma in einen die Anode (30) enthaltenden Anodenraum (40) und einen die Kathode (32) enthaltenden Kathodenraum (42) unterteilt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass
als Membran (38) eine semipermeable Membran (38) eingesetzt wird, welche bevorzugt aus einem Ionomer und besonders bevorzugt aus sulfoniertem Polytetrafluorethylen zusammengesetzt ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass
als Diaphragma ein semipermeables Diaphragma aus Ton, Keramik oder Glas eingesetzt wird.
4. Verfahren nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
die Metallionen aus der Gruppe ausgewählt werden, welche aus Eisenionen, Magnesiumionen, Kobaltionen, Nickelionen, Kupferionen, Zinkionen, Titanionen, Aluminiumionen und beliebigen Mischungen aus zwei oder mehr der vorgenannten Ionen besteht, und besonders bevorzugt Aluminiumionen sind.
Verfahren nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
eine Anode (30) eingesetzt wird, welche aus dem Metall bzw. den Metallen zusammengesetzt ist, dessen bzw. deren Ionen in die Flüssigkeit eingebracht werden.
Verfahren nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
während der Elektrolyse die Flüssigkeit bzw. Dispersion, in welcher die Verbindungen, welche zu koagulieren und/oder zu flocken sind oder welche mit den Metallionen reagiert werden sollen, gelöst oder dispergiert sind, durch den Anodenraum (40) der Elektrolysezelle (28) geführt und dort elektrolysiert wird.
Verfahren nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Flüssigkeit bzw. Dispersion nach der Abführung aus dem Anodenraum (40) der Elektrolysezelle (28) ein Teilstrom des aus dem Kathodenraum (42) der Elektrolysezelle abgeführten, Hydroxidionen enthaltenden Flüssigkeitsstroms oder der gesamte aus dem Kathodenraum der Elektrolysezelle (28) abgeführte, Hydroxidionen enthaltende Flüssigkeitsstrom zugeführt wird, wobei die Zuführung vor- zugsweise in einer Bütte erfolgt, in welcher die beiden Ströme miteinander vermischt werden.
Verfahren nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 5,
dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass
während der Elektrolyse eine von der Flüssigkeit bzw. Dispersion, in welcher die Verbindungen, welche zu koagulieren und/oder zu flocken sind oder welche mit den Metallionen reagiert werden sollen, gelöst oder dispergiert sind, verschiedene Flüssigkeit, bevorzugt Wasser, durch den Anodenraum (40) der Elektrolysezelle (28) geführt und dort elektrolysiert wird und zumindest ein Teil des aus dem Anodenraum (40) der Elektrolysezelle (28) abgeführten Flüssig- keits- bzw. Dispersionsstroms anschließend mit der Flüssigkeit bzw. Dispersion, in welcher die Verbindungen, welche zu koagulieren und / oder zu flocken sind oder welche mit den Metallionen reagiert werden sollen, gelöst oder dispergiert sind, vermischt wird.
Verfahren nach Anspruch 8,
dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass
der Flüssigkeit bzw. Dispersion, in welcher die Verbindungen, welche zu koagulieren und / oder zu flocken sind oder welche mit den Metallionen reagiert werden sollen, gelöst oder dispergiert sind, vor, während oder nach der Zuführung zumindest eines Teils des aus dem Anodenraum (40) der Elektrolysezelle (28) abgeführten Flüssig- keits- bzw. Dispersionsstroms zumindest ein Teilstrom des aus dem Kathodenraum (42) der Elektrolysezelle abgeführten, Hydroxidionen enthaltenden Flüssigkeitsstroms oder der gesamte aus dem Kathodenraum (42) der Elektrolysezelle abgeführte, Hydroxidionen enthaltende Flüssigkeitsstrom zugeführt wird, wobei die Zuführung vor- zugsweise in einer Bütte erfolgt, in welcher die Ströme miteinander vermischt werden.
Verfahren nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 5,
dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass
während der Elektrolyse durch den Anodenraum (40) und durch den Kathodenraum (42) jeweils eine von der Flüssigkeit bzw. Dispersion, in welcher die Verbindungen, welche zu koagulieren und/oder zu flocken sind oder welche mit den Metallionen reagiert werden sollen, gelöst oder dispergiert sind, verschiedene Flüssigkeit, bevorzugt Wasser, geführt und elektrolysiert wird, dem aus dem Anodenraum (40) abgeführten Flüssigkeits- bzw. Dispersionsstrom zumindest ein Teil des aus dem Kathodenraum (42) der Elektrolysezelle (28) abgeführten, Hydroxidionen enthaltenden Flüssigkeitsstroms zugeführt und damit vermischt wird, bevor zumindest ein Teil des so hergestellten Flüssigkeits- bzw. Dispersionsstroms mit der Flüssigkeit bzw. Dispersion, in welcher die Verbindungen, welche zu koagulieren und/ oder zu flocken sind oder welche mit den Metallionen reagiert werden sollen, gelöst oder dispergiert sind, vermischt wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche zur Unterstützung der Leimung und / oder zum Fixieren von Störstoffen und/ oder zur Erhöhung der Retention bei einer bei der Papierherstellung eingesetzten Faserstoffsuspension, bei dem in die Faserstoffsuspension Metallionen eingebracht werden, welche durch E- lektrolyse in einer eine Anode (30) und eine Kathode (32) umfassenden Elektrolysezelle (28) hergestellt werden, wobei die Elektrolysezelle (28) durch eine Membran (38) und/oder durch ein Diaphragma in einen die Anode (30) enthaltenden Anodenraum (40) und einen die Kathode (32) enthaltenden Kathodenraum (42) unterteilt wird.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 10 zur Reinigung von Prozesswasser oder Abwasser, insbesondere von Prozesswasser oder Abwasser einer Maschine (8) zur Herstellung und/ oder Veredlung einer Papier-, Karton-, Tissue- oder einer anderen Faserstoffbahn, bei dem in das Prozesswasser oder Abwasser Metallionen eingebracht werden, welche durch Elektrolyse in einer eine Anode (30) und eine Kathode (32) umfassenden Elektrolysezelle (28) hergestellt werden, wobei die Elektrolysezelle (28) durch eine Membran (38) und/oder durch ein Diaphragma in einen die Anode (30) enthal tenden Anodenraum (40) und einen die Kathode (32) enthaltenden Kathodenraum (42) unterteilt wird.
Anlage (8) umfassend eine Vorrichtung zur Koagulation und / oder Flockung von in einer Flüssigkeit gelösten oder darin dispergierten Verbindungen mittels Metallionen oder zur Reaktion von Metallionen mit in einer Flüssigkeit gelösten oder darin dispergierten Verbindungen, insbesondere zur Unterstützung der Leimung und/oder zum Fixieren von Störstoffen und / oder zur Erhöhung der Retention bei einer bei der Papierherstellung eingesetzten Faserstoffsuspension, welche eine eine Anode (30) und eine Kathode (32) enthaltende Elektrolysezelle (28) umfasst, wobei in der Elektrolysezelle (28) eine Membran (38) und/oder ein Diaphragma vorgesehen ist, welche(s) die Elektrolysezelle (28) in einen die Anode (30) enthaltenden Anodenraum (40) und einen die Kathode (32) enthaltenden Kathodenraum (42) unterteilt.
Anlage (8) nach Anspruch 13, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass
diese zudem einen ersten Mischbehälter (64) und einen zweiten Mischbehälter (66) aufweist, wobei der erste Mischbehälter (64) eine erste Zufuhrleitung (60) für die Flüssigkeit bzw. Dispersion, in welcher die Verbindungen, welche zu koagulieren und/oder zu flocken sind oder welche mit den Metallionen reagiert werden sollen, gelöst oder dispergiert sind, eine zweite Zufuhrleitung (46', 50'), welche mit einer Abfuhrleitung (46) des Anodenraums (40) der Elektrolysezelle (28) oder mit einer Abfuhrleitung (50) des Kathodenraums (42) der Elektrolysezelle (28) verbunden ist, und eine in den zweiten Mischbehälter (66) führende Abfuhrleitung aufweist, wobei der zweite Mischbehälter (66) zudem eine Zufuhrleitung (46', 50') aufweist, welche mit der Abfuhrleitung (46) des Anodenraums (40) der Elektrolysezelle (28) verbunden ist, wenn die zweite Zufuhrleitung (50') des ersten Mischbehälters (64) mit der Abfuhrleitung (50) des Kathodenraums (42) der Elektrolysezelle (28) verbunden ist, oder mit der Abfuhrleitung (50) des Kathodenraums (42) der Elektrolysezelle (28) verbunden ist, wenn die zweite Zufuhrleitung (46') des ersten Mischbehälters (64) mit der Abfuhrleitung (46) des Anodenraums (40) der Elektrolysezelle (28) verbunden ist.
Anlage (8) nach Anspruch 13,
dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass
diese zudem einen Mischbehälter (64) aufweist, wobei der Mischbehälter (64) eine erste Zufuhrleitung (46'), welche mit einer Abfuhrleitung (46) des Anodenraums (40) der Elektrolysezelle (28) verbunden ist, und eine zweiten Zufuhrleitung (50'), welche mit einer Abfuhrleitung (50) des Kathodenraums (42) der Elektrolysezelle (28) verbunden ist, sowie eine Abfuhrleitung aufweist, welche mit einem Mischbehälter oder mit einer Leitung (60) für die Flüssigkeit bzw. Disper- sion, in welcher die Verbindungen, welche zu koagulieren und/oder zu flocken sind oder welche mit den Metallionen reagiert werden sollen, gelöst oder dispergiert sind, verbunden ist. 16. Anlage (8) nach Anspruch 13,
dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass
der Anodenraum (40) der Elektrolysezelle (28) eine Zufuhrleitung (60) für die Flüssigkeit bzw. Dispersion, in welcher die Verbindungen, welche zu koagulieren und/oder zu flocken sind oder welche mit den Metallionen reagiert werden sollen, gelöst oder dispergiert sind, und eine Abfuhrleitung (46) für die elektrolysierte Flüssigkeit bzw. Dispersion aufweist, wobei die Abfuhrleitung (46) in einen Mischbehälter (64) führt, in welchen zudem eine Abfuhrleitung (50, 50') des Kathodenraums (42) der Elektrolysezelle (28) führt.
PCT/EP2012/055369 2011-04-12 2012-03-27 Verfahren zum behandeln von flüssigkeiten und dispersionen mit elektrolytisch unter verwendung einer zweikammer-elektrolysezelle hergestellten metallionen WO2012139879A1 (de)

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