EP3408228A1 - Kartusche zur reinigung von wasser durch elektroactiven adsorbermaterial (zeta potential) - Google Patents

Kartusche zur reinigung von wasser durch elektroactiven adsorbermaterial (zeta potential)

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EP3408228A1
EP3408228A1 EP17701696.1A EP17701696A EP3408228A1 EP 3408228 A1 EP3408228 A1 EP 3408228A1 EP 17701696 A EP17701696 A EP 17701696A EP 3408228 A1 EP3408228 A1 EP 3408228A1
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EP
European Patent Office
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layer
water
cartridge
housing
electroactive
Prior art date
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Ceased
Application number
EP17701696.1A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Ralf SÖCKNICK
Wolfgang KUGELMANN
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Gruenbeck AG
Original Assignee
Gruenbeck Wasseraufbereitung GmbH
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Publication date
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    • C02F2303/04—Disinfection

Definitions

  • the invention relates to a device for purifying water.
  • different filters are known from the prior art.
  • a water filter for example, turbid substances, microorganisms and undesired substances dissolved in the water can be removed or at least reduced in their concentration.
  • water filters either mechanical particles contained in the water, remove from the water, for example, by sieving techniques, or exploit the chemical-physical effects to remove contained or dissolved in water substances.
  • the water filters which mechanically remove particles from the water include, for example, sieve filters or osmosis filters with a permeable filter membrane of predetermined pore size, eg micro-ultra or nanofilters, reverse osmosis modules or filters with a granular filter bed such as gravel, stone or sand filters.
  • a permeable filter membrane of predetermined pore size eg micro-ultra or nanofilters, reverse osmosis modules or filters with a granular filter bed such as gravel, stone or sand filters.
  • a granular filter bed such as gravel, stone or sand filters.
  • particles with a particle size in the range from a few nm (ultrafiltration) to a few ⁇ m (microfiltration) can be separated from the water by means of filter membranes.
  • ultrafiltration membranes it is possible to remove microorganisms whose diameter is typically in the range of 20 to 50 nm from the water.
  • adsorbed molecules are bound to an adsorbent by chemical bonds (caused by valence forces), whereby the adsorbed molecules and / or the adsorbent are chemically altered.
  • substances dissolved in the water are ions, they can also be removed from the water by ion exchange using an ion exchange material.
  • electrostatically charged particles such as microorganisms, which are regularly negatively charged, can be removed from the water by electroadsorption on an electroactive material which has a ZETA potential, in particular an electropositive ZETA potential, in an aqueous environment.
  • an electroactive adsorber material for the adsorption of microorganisms from water is known.
  • the electroactive adsorbent material is an electropositive nonwoven composite comprising a mixture of nanoaluminum oxide particles or fibers and a support structure, for example, glass fiber based. Due to the electropositive ZETA potential of the textile composite material in an aqueous environment, this adsorbent material is able to remove electrostatically negatively charged particles from a liquid to be purified by electroadsorption.
  • the electroactive adsorber material known from WO 03/000407 A1 is arranged, for example, on the surface of a membrane or used as a filter bed and the liquid to be purified, in particular water, is passed through the membrane or the filter bed.
  • negatively charged particles in particular microorganisms having a particle size of less than 1 ⁇ m, are bound to the adsorber material by electroadsorption.
  • microorganisms in particular viruses and bacteria, can be removed from the water with this known adsorber material in order to sterilize the water.
  • the known electroactive adsorber material is not suitable for removing uncharged particles. Since the beginning of the 1990s, endocrine-disrupting substances in waters have attracted scientific and public interest.
  • Endocrine-disrupting substances are substances that can influence and disturb the normal hormonal activity of humans and animals. If the influence of the endocrine active substances leads to impairments of the hormone system, the substances are also referred to as endocrine disruptors. Such endocrine disruptors may be naturally occurring or synthetically produced. Examples of endocrine disruptors that are partially detectable in food and feed, and especially in drinking water, include pesticides, dioxins, PCBs and bisphenol A (BPA). Endocrine disruptors may also be caused by pharmaceuticals containing endocrine disruptors, such as the anti-baby pill, Analgesics, thyroid hormone replacement products or X-ray contrast media through the domestic or clinical wastewater into the water cycle. Frequently, such substances contained in the water already act in very low concentrations in the ⁇ g or ng range per liter as endocrine disruptors.
  • endocrine active substances or other organic or inorganic impurities in water may include water filters based on adsorbent materials, such as e.g. Activated carbon, are used.
  • adsorbent materials such as e.g. Activated carbon
  • From DE 10 2013 006 711 AI a method and a filter device for the treatment or purification of water based on an adsorption filter is known which contains an adsorption material based on activated carbon.
  • the inorganic or organic impurities to be removed from the water are thereby bound by physical adsorption on the adsorption material and thereby removed from the water.
  • adsorbent materials in water filters there is a risk of nucleation or proliferation in the adsorbent material, which can result in undesirable contamination of the filtered water.
  • Microbial contamination of the adsorption material can be observed, above all, in activated carbon-based adsorption filters.
  • the microorganisms suspended in the drinking water such as bacteria, viruses and occasionally also lower fungi, can colonize the adsorption material.
  • microcolonies and entire biofilms can coat the activated charcoal granulate in a fixed bed feeder.
  • biofilms of different characteristics can be formed. The reason for the rapid spread of microorganisms in such adsorption filters is the good pathway of the relatively large interspaces activated carbon beds.
  • the microorganisms embedded in such a biofilm are also able to use compounds already adsorbed in the activated carbon from the water to be filtered as a nutrient source. If such substances have accumulated on the adsorption material after prolonged operation of the filter, this can additionally promote the development of biofilm.
  • the activated carbon in an activated carbon filter is not constantly flowed through by raw water, there is a particularly high risk of contamination, because it then forms on the surface of the activated carbon a moist environment, which offers ideal conditions for the propagation of germs. For these reasons, activated charcoal adsorption filters are very suitable for removal trace contaminants, micropollutants and endocrine disruptors from water, however, pose a high risk of contamination.
  • the object of the invention is to provide a device for purifying water, with which both a disinfection or sterilization of the water and the reliable removal of inorganic or organic impurities, such as e.g. Trace substances and endocrine disruptors is made possible.
  • an efficient and uniform as possible flow of water through the device should be carried out at the lowest possible flow resistance. This should make it possible to arrange the device, for example, at a point of use for drinking water, without suffering a pressure loss.
  • the inventive device comprises a housing with a raw water inlet and a cartridge inserted in the housing, which contains a first layer and a second layer of an adsorbent material (adsorbent), wherein the first and the second layer each of an electroactive adsorber with an electrokinetic potential in an aqueous environment (ZETA potential) are formed, at which microorganisms contained in the water, in particular viruses and germs, accumulate by electroadsorption.
  • An electroactive adsorber material is understood to mean an adsorbent having an electrokinetic potential which is different from zero in an aqueous environment (and in particular in the pH range from 3 to 9), at which charged particles can accumulate by electrostatic adsorption.
  • the cartridge further contains a third layer, which is arranged between the first and the second layer and contains an adsorbent, on the surface of which particles or solutes present in the water are adsorbed by physical and / or chemical adsorption.
  • the layers of the cartridge are each formed as a hollow cylinder and arranged concentrically with each other with the first layer radially outwardly, wherein between the inside of the housing and the radially outer first layer with the raw water inlet in connection standing annular channel for uniform distribution of the raw water in the Cartridge is arranged.
  • the water to be purified is introduced through the raw water inlet into the housing and over the annular channel so introduced into the arranged in the housing cartridge that the water in the cartridge first flows through the first layer, then the third layer and finally the second layer.
  • microorganisms contained in the first and second layers in the water are bound by electroadsorption to the electroactive adsorber material of the first or second layer and thereby removed from the water.
  • non-polar particles or dissolved substances, including dissolved polar substances, in the water are bound to the adsorbent of the third layer by physical and / or chemical adsorption and in this way from the water away.
  • the physical or chemical adsorption takes place by enrichment and binding of the polar or non-polar substances on the surface, in particular the inner surface, of the adsorbent of the third layer.
  • the device according to the invention is therefore able to remove both charged particles, in particular negatively charged microorganisms, and also uncharged particles and nonpolar dissolved substances, in particular inorganic or organic contaminants such as trace substances and endocrine-active substances, from the water. This prevents the water to be purified by microbial contamination of the adsorbent of the third layer can be contaminated.
  • the third layer is arranged between the first and the second layer, each of which contains an electroactive adsorber material to which microorganisms contained in the water, in particular viruses and germs, accumulate by electroadsorption.
  • the third layer with the physical or chemical adsorbent is surrounded on both sides, ie, upstream and downstream of the water flow, by the electroactive adsorber material of the first or the second layer, for which reason microorganisms which are present in the physical or chemical Adsorbent of the third layer can be caused by natural multiplication, not get out of the device according to the invention and thus can not contaminate the already purified water.
  • the porous or powdery adsorption material of the third layer can not escape from the device, because any charged particles of the adsorbent, which are carried by the water stream can be bound in the downstream arranged second layer by electroadsorption.
  • the electroactive adsorber material of the first and the second layer knows in aqueous environment and preferably in the pH range of 3 to 9, in particular from 5 to 8, an electropositive potential (ZETA potential).
  • the (physical or chemical) adsorbent of the third layer may, for example, be activated carbon, silica gel or a zeolite or else a combination of these materials.
  • the adsorbent may expediently be in the form of a block or as a bed of adsorbent granules.
  • the device according to the invention is at least substantially cylindrical, wherein the cylindrical cartridge consists of the three each formed as a hollow cylinder and arranged coaxially to each other layers, wherein the first layer is arranged radially outward and the second layer radially inwardly and to be cleaned Water flows through the cartridge radially from outside to inside.
  • the cartridge consisting of the first, the second and the third layer, is expediently exchangeable arranged in the likewise cylindrically shaped housing. At the cylindrical housing while a connection piece is arranged, which contains the raw water inlet.
  • the housing has expediently a raw water inlet and expediently via an outlet for discharging the purified water and arranged in the interior of the housing and connected to the output collecting channel in which the purified water is collected and passed to the output.
  • the collecting channel is expediently arranged radially inwardly and extends in the axial direction of the cartridge.
  • the raw water which preferably flows in through the raw water inlet at the end into the housing, is distributed uniformly in the annular channel, from there in the radial direction first through the radially outer first layer, then through the third layer and finally through the radially inner second layer into the collecting channel ,
  • Both the first layer and the second layer may expediently be formed from an electroactive adsorber material having a flat carrier material and be shaped as a wound body or as a pleat body. This represents a great effective Adsorber Design the first and the second layer and a simple construction safely and ensures low flow resistance.
  • the adsorbent disposed between the first layer and the second layer of the third layer may be formed, for example, as a sintered body.
  • Figure 1 Schematic representation of a device according to the invention for the purification of water
  • Figure 2 perspective exploded view of a preferred embodiment of a device according to the invention
  • FIG. 3 an exploded perspective view of the device of FIG. 2 with a housing shown in half section;
  • FIG. 4 shows a sectional view of the device of FIG. 3 with a detailed view of a connecting piece arranged on the housing;
  • Figure 5 sectional view of another embodiment of a device according to the invention.
  • an adsorber arrangement is shown schematically, which can be used in the device according to the invention for the purification of water.
  • the adsorber arrangement comprises a first layer 1 and a second layer 2. These are each formed from an electroactive adsorber material having an electrokinetic potential (ZETA potential) in an aqueous environment. Due to the electrokinetic potential of the electroactive adsorber material of the first layer 1 and the second layer 2, microorganisms contained in the water, for example viruses and germs which are regularly electrically charged, can accumulate on the adsorber material due to electroadsorption. Microorganisms contained in the water are usually negatively charged.
  • suitable for the Forming the adsorbent material of the first layer 1 and the second layer 2 particularly expedient an electropositive adsorbent material which has a positive electrokinetic ZETA potential in an aqueous environment and in particular in the typical pH range of drinking water between 6.5 to 9.
  • electroactive adsorber materials may be formed, for example, by non-woven fabrics or textile composites containing metal oxides, in particular aluminum oxide and / or aluminum hydroxides and / or boehmite and / or zirconium oxide and / or zirconium hydroxide.
  • the electroactive adsorber material may also contain a silicate, such as aluminum or calcium silicate.
  • Electroactive adsorber materials containing silicates such as aluminum or calcium silicates are electronegatively charged and therefore can also remove positively charged particles from the water by electroadsorption on the adsorber material.
  • the formation of the adsorbent material of the first and the second layer formed by a mixture of micro- or nanoparticles or fibers of a metal oxide with a carrier material, for example a non-woven fabric as a carrier material and incorporated thereon or polymer, carbon or glass fibers.
  • the electroactive adsorber material of the first and second layers may also comprise a ceramic carrier material provided with a coating containing a metal oxide and / or a metal hydroxide and / or boehmite or zirconium oxide or zirconium hydroxide.
  • a cartridge for the device according to the invention is formed from the first layer 1, the second layer 2 and a third layer 3, wherein the first and the second layer of an electroactive adsorber material with an electrokinetic potential (zeta potential) exist in an aqueous environment, and the third layer 3 contains at least one adsorbent on whose (inner) surface particles or dissolved substances present in the water can accumulate by physical and / or chemical adsorption (physisorption or chemisorption).
  • the adsorbent of the third layer 3 is (micro) porous materials, such as activated carbon or zeolites.
  • the third layer 3 may also contain other adsorption materials which bind microorganisms by physisorption and / or chemisorption, such as silica gel or carbon powder.
  • the adsorber arrangement shown schematically in Figure 1 consisting of the first layer 1, the second layer 2 and the third layer 3 is traversed by the water to be purified in a flow direction S, the water first, the first layer 1, then the third layer 3 and then the second layer 2 flows through. As it flows through the first layer 1 microorganisms contained in the water are attached due to their electrical charge by electroadsorption on the electroactive adsorber of the first layer 1 and thereby removed from the water. The thus already largely freed from microorganisms water then flows through the third layer 3.
  • the water flows through the second layer 2.
  • microorganisms still contained in the water are deposited by electroadsorption on the electroactive adsorber material of the second layer 2 and thus removed from the water.
  • charged particles of the adsorbent of the third layer 3 which have been entrained in the flow of water through the third layer 3 from the water stream, bound in the second layer 2 by electroadsorption on the electroactive adsorber and thereby removed from the water.
  • the second layer 2 ensures that microorganisms, such as viruses and germs, which have formed by natural multiplication in the adsorbent of the third layer 3, can not get out of the device. This avoids that the water to be purified in the third layer 3 is contaminated by microorganisms formed there again when the water flows through the third layer 3.
  • the third layer 3 is formed as adsorber block of a porous adsorbent, for example, an activated carbon or a zeolite block or a porous sintered material.
  • the adsorber block of the third layer 3 is a sintered body.
  • the third layer 3 may also contain a bed of a powdered or granular adsorbent, for example in the form of activated carbon powder or zeolite granules.
  • the adsorbent of the third layer 3 is encapsulated by the first and the second layer 1, 2. This can eg. The powdery or granular adsorbent the middle, third layer 3 between the first layer 1 and the second layer 2 are held.
  • the layers 1, 2, 3 can also be arranged in an intermediate housing with a liquid-permeable outer wall.
  • the first layer 1 and the second layer 2 are particularly preferably formed in the form of a winding or a pleated body.
  • Such winding or pleat bodies can be produced by winding or pleat-shaped folding of a flat adsorber material.
  • Particularly suitable for this purpose are electroactive textile composites or flat support materials which (as described above) are coated with an electroactive metal (hydro) oxide or a metal (hydro) oxide, for example in the form of microparticles or nanoparticles or metal (hydro) oxide. Contain fibers.
  • FIGS. 2 to 4 a preferred embodiment of a device according to the invention with the adsorber arrangement shown in FIG. 1 with the layers 1 to 3 is shown.
  • the adsorber assembly consisting of the layers 1 to 3 is formed as a cylindrical cartridge 10, which contains the respective formed as a hollow cylinder layers 1-3.
  • the hollow cylinder of the first layer 1 in this case has an inner diameter which is slightly larger than the outer diameter of the hollow cylinder of the third layer 3 and the inner diameter of the hollow cylinder of the third layer 3 is slightly larger than the outer diameter of the hollow cylinder of the second layer 2. Die Hohlzylinder der first, third and second layers are concentric with each other as shown in FIG.
  • the cartridge 10 is arranged in a cylindrical housing 4 with a cylinder jacket 4a and a closed bottom 4b.
  • the cartridge 10 is removable from the housing 4 in order to replace the adsorber with the layers 1 to 3 can.
  • a removable cover 4c is provided (FIGS. 3 and 4).
  • the first layer 1 and the second layer 2 are each formed as a hollow cylindrical pleated body of a flat, electroactive adsorber material, which is pleated folded pleated.
  • the flat adsorber material of the first and the second layer 2 is in each case folded in a pleated manner along folds which run along the axis of the hollow cylinder of the layers 1 and 2.
  • the outer edges of the flat adsorber material are joined together to form a hollow cylinder along an axial connecting line, for example, by adhering the outer edges of the flat adsorber material.
  • the first and the second layer 1, 2 may be formed in this embodiment of a device according to the invention also by hollow cylindrical wound winding body of a flat electroactive adsorber.
  • the third layer 3 is arranged between the hollow cylinders of the first layer 1 and the second layer 2, the third layer 3 is arranged. This is formed as a hollow cylindrical block of an adsorbent, preferably activated carbon.
  • the adsorber assembly with the layers 1 to 3 in the form of concentric nested hollow cylinder surrounds in the device according to the invention in the center of the arrangement axially extending collecting channel 7.
  • the diameter of the substantially tubular and extending in the axial direction of the cartridge 10 collection channel 7 corresponds to the inner diameter of the hollow cylinder the radially inner second layer. 2
  • a disc-shaped cap 11 is provided on the front-side upper side of the cartridge 10 with the three layers 1 to 3.
  • This cap 11 comprises a circumferential collar 11 Ib on the outer circumference of the cap 11, which surrounds the outer circumference of the radially outer first layer 1 in the upper region.
  • the inner surface of the cap 11 is liquid-tightly connected to the (upper) end faces of the layers 1, 2, 3, for example by gluing.
  • a hollow cylindrical outlet port I Ia is formed, which is connected to an outlet opening in the cap 11.
  • the outlet 1 la is connected via this outlet opening with the collecting channel 7.
  • a disc-shaped bottom 12 is arranged with a circumferential collar 12a on the outer circumference.
  • the inner surface of the bottom 12 is also liquid-tightly connected to the (lower) end faces of the layers 1, 2, 3, for example by gluing.
  • the cartridge 10 is arranged consisting of the layers 1, 2 and 3, the bottom 12 and attached to the front-side top cap 11 in the housing 4.
  • the cartridge 10 is placed with its bottom 12 on the housing bottom 4b, wherein expediently on the inside of the housing bottom 4b, an annular spacer 4b "is provided, on which rests the underside of the bottom 12 of the adsorber.
  • an annular channel 8 is formed between the outer periphery of the radially outer first layer 1 and the inner circumference of the cylinder jacket 4 a of the housing 4, an annular channel 8 is formed.
  • the housing cover 4c is placed on the cylinder jacket 4a.
  • the housing cover 4c is formed substantially disc-shaped with a circumferential on the outer circumference and the outer circumference of the cylinder jacket 4a encompassing flange. In the center of the disc-shaped lid 4c, an opening 13 is provided.
  • the housing cover 4c has a connecting piece 9 integrally formed in the center.
  • This connecting piece 9, which is shown in detail in the insert of FIG. 4, is substantially hollow-cylindrical and has an outlet 6 and a raw water inlet 5 arranged concentrically therewith.
  • the raw water inlet 5 is formed by a coaxial with the exit 6 arranged annular channel and has connection openings 5 ', which can be connected to a raw water line.
  • a raw water pipe is connected to the raw water inlet 5.
  • the raw water to be purified flows through the raw water inlet 5 first into the intermediate space 8 'and is distributed from there into the annular channel 8. From this, the raw water flows in the radial direction from outside to inside through the cartridge 10, wherein first the radially outer first layer 1, then the third layer 3 and finally the radially inner second layer 2 is flowed through.
  • the water that has flowed through the layers 1, 3 and 2 collects in the central collecting channel 7 and can leave the device through the output 6 from there.
  • the flow direction of the water to be purified can also be reversed, so that the raw water is introduced through the central channel 7 and first the radially inner second layer 2, then the third layer 3 and finally the radially outer first Layer 1 flows through.
  • a flow reversal it can also come in the described embodiment of the device by a (generated by a pump or unintentional) negative pressure on the side of the radially outer first layer 1.
  • FIG. 5 shows a further embodiment of a device according to the invention, which is used in a position rotated by 180 ° in comparison to the device of FIG.
  • a venting of the central collecting channel 7 by an inner riser 17, which surrounds the collecting channel 7 and for this purpose is arranged in the center of the device and radially inwardly and radially spaced from the inner layer 2.
  • the riser 17 is connected at its lower end shown in Figure 5 to the output 6 and has at its opposite end an opening which is spaced from the inner surface of the bottom 12 of the cartridge 10, so that between the mouth of the riser 17th and the bottom 12, a gap 16 results.
  • the flow direction of the inflowing into the raw water inlet 5 water is shown in Figure 5 with arrows.
  • the water flows from the raw water inlet 5 via the gap 8 'in the annular channel 8 and from there in the radial direction (in this order) through the layers 1, 3 and 2.
  • a distance is provided which forms an inner annular channel 15, in which collects the purified water.

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Abstract

Eine Vorrichtung zur Reinigung von Wasser umfasst ein Gehäuse (4) mit einem Rohwasserzulauf (5) und eine im Gehäuse (4) eingesetzte Kartusche (10), welche enthält: - eine erste Lage (1) aus einem elektroaktiven Adsorbermaterial mit einem in wässriger Umgebung elektrokinetischen Potential (Zeta-Potential), an dem sich im Wasser enthaltene Mikroorganismen, insbesondere Viren und Keime, durch Elektroadsorption anlagern, - eine zweite Lage (2) aus einem elektroaktiven Adsorbermaterial mit einem in wässriger Umgebung elektrokinetischen Potential (Zeta-Potential), an dem sich im Wasser enthaltene Mikroorganismen, insbesondere Viren und Keime, durch Elektroadsorption anlagern, - und eine zwischen der ersten Lage (1) und der zweiten Lage (2) angeordnete dritte Lage (3), welche ein Adsorbens enthält, an dessen Oberfläche sich im Wasser befindliche Partikel oder gelöste Stoffe durch physikalische und/oder chemische Adsorption anlagern, - wobei die Lagen (1, 2, 3) jeweils als Hohlzylinder ausgebildet und konzentrisch zueinander mit der ersten Lage (1) radial außen liegend angeordnet sind und wobei zwischen der Innenseite des Gehäuses (4) und der radial außen liegenden ersten Lage (1) ein mit dem Rohwasserzulauf (5) in Verbindung stehender Ringkanal (8) zur Verteilung des Rohwassers in der Kartusche (10) angeordnet ist. Diese Vorrichtung ermöglicht gleichzeitig eine Reinigung und eine Desinfizierung bzw. Sterilisierung von Wasser, wobei sowohl anorganische oder organische Verunreinigungen, wie z.B. Spurenstoffe und endokrine Disruptoren, als auch Mikroorganismen aus dem Wasser entfernt werden können.

Description

KARTUSCHE ZUR REINIGUNG VON WASSER DURCH ELEKTROACTIVEN
ADSORBERMATERIAL (ZETA POTENTIAL)
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Reinigung von Wasser. Zur Reinigung bzw. Aufbereitung von Wasser, insbesondere von Trinkwasser, sind aus dem Stand der Technik unterschiedliche Filter, bekannt. Mit einem Wasserfilter können bspw. Trübstoffe, Mikroorganismen und unerwünschte, im Wasser gelöste Substanzen entfernt oder zumindest in ihrer Konzentration reduziert werden. Dabei wird zwischen Wasserfiltern unterschieden, die entweder im Wasser enthaltene Partikel mechanisch, aus dem Wasser entfernen, beispielsweise durch Siebtechniken, oder die chemisch-physikalische Effekte zur Entfernung von im Wasser enthaltenen oder gelösten Substanzen ausnutzen. Zu den Wasserfiltern, die Partikel mechanisch aus dem Wasser entfernen, gehören beispielsweise Siebfilter oder Osmosefilter mit einer permeablen Filtermembran mit vorgegebener Porengröße, z.B. Mikro- Ultra- oder Nanofilter, Umkehrosmosemodule oder Filter mit einer körnigen Filterschüttung wie z.B. Kies-, Stein- oder Sandfilter. Durch Filtermembrane lassen sich - je nach Porengröße - Partikel mit einer Partikelgröße im Bereich von einigen nm (Ultrafiltration) bis zu einigen μιη (Mikrofiltration) aus dem Wasser abtrennen. Mit Ultrafiltrationsmembranen ist es möglich, Mikroorganismen, deren Durchmesser typischerweise im Bereich von 20 bis 50 nm liegt, aus dem Wasser zu entfernen. Mit Umkehrosmosemodulen können sogar Partikel mit einer Partikelgröße von weniger als 1 nm aus dem Wasser entfernt werden. Allerdings ist hierfür ein hoher Filtrationsdruck erforderlich (10 bis 80 bar). Mikro- Ultra- oder Nanofiltrationsmembrane und RO-Filter weisen einen hohen Strömungswiderstand auf. Im Wasser gelöste Stoffe, insbesondere organische Substanzen, können durch physikalische oder chemische Adsorption an einem Adsorbermaterial, wie z.B. Aktivkohle oder Zeolithe, aus dem Wasser entfernt werden. Gemäß der Definition in IUPAC werden bei einer physikalischen Adsorption (Physisorption) adsorbierte Moleküle durch physikalische Kräfte, insbesondere van-der-Waals-Kräfte, an einem Adsorbens gebunden. Bei einer chemischen Adsorption (Chemisorption) werden adsorbierte Moleküle durch chemische Bindungen (hervorgerufen durch Valenzkräfte) an einem Adsorbens gebunden, wobei die adsorbierten Moleküle und/oder das Adsorbens chemisch verändert wird. Wenn es sich bei den im Wasser gelösten Stoffen um Ionen handelt, können diese auch durch Ionenaustausch unter Verwendung eines Ionenaustauschermaterials aus dem Wasser entfernt werden. Weiterhin können elektrostatisch geladene Partikel wie z.B. Mikroorganismen, welche regelmäßig negativ geladen sind, mittels Elektroadsorption an einem elektroaktiven Material, welches in wässrigen Umgebung über ein ZETA-Potential, insbesondere ein elektropositives ZETA-Potential verfügt, aus dem Wasser entfernt werden.
Aus der WO 03/000407 AI ist ein elektroaktives Adsorbermaterial zur Adsorption von Mikroorganismen aus Wasser bekannt. Bei dem elektroaktiven Adsorbermaterial handelt es sich um einen elektropositiven Textilverbundstoff, der ein Gemisch von Nanoaluminiumoxid- Teilchen oder -fasern und eine Trägerstruktur, beispielsweise auf Glasfaserbasis, umfasst. Aufgrund des elektropositiven ZETA-Potentials des Textilverbundmaterials in wässriger Umgebung ist dieses Adsorbermaterial in der Lage, elektrostatisch negativ geladene Teilchen aus einer zu reinigenden Flüssigkeit durch Elektroadsorption zu entfernen. Das aus der WO 03/000407 AI bekannte elektroaktive Adsorbermaterial wird beispielsweise an der Oberfläche einer Membran angeordnet oder als Filterbett eingesetzt und die zu reinigende Flüssigkeit, insbesondere Wasser, wird durch die Membran bzw. das Filterbett geleitet. Dabei werden negativ geladene Partikel, insbesondere Mikroorganismen mit einer Teilchengröße von weniger als 1 μιη, am Adsorbermaterial durch Elektroadsorption gebunden. Mit diesem bekannten Adsorbermaterial können insbesondere Mikroorganismen, insbesondere Viren und Bakterien, aus dem Wasser entfernt werden, um das Wasser zu sterilisieren. Das bekannte elektroaktive Adsorbermaterial ist jedoch nicht zur Entfernung von ungeladenen Partikeln geeignet. Seit Beginn der 1990er- Jahre sind endokrin wirksame Substanzen in Gewässern ins wissenschaftliche und öffentliche Interesse gerückt. Endokrin aktive Substanzen sind Stoffe, die auf die gewöhnliche Hormonaktivität von Mensch und Tier Einfluss nehmen und diese stören können. Wenn die Beeinflussung der endokrin aktiven Substanzen zu Beeinträchtigungen des Hormonsystems führt, werden die Substanzen auch als endokrine Disruptoren bezeichnet. Solche endokrinen Disruptoren können natürlich vorkommen oder auch synthetisch hergestellt werden. Beispiele für endokrine Disruptoren, die teilweise in Lebens- und Futtermitteln und insbesondere im Trinkwasser nachweisbar sind, umfassen Pestizide, Dioxine, PCB und Bisphenol A (BPA). Endokrine Disruptoren können auch durch Pharmazeutika, welche endokrin aktive Substanzen enthalten, wie z.B. die Anti-Baby-Pille, Analgetika, Schilddrüsenhormon-Ersatzpräparate oder Röntgenkontrastmittel über das häusliche oder klinische Abwasser in den Wasserkreislauf gelangen. Häufig wirken solche im Wasser enthaltene Substanzen bereits in geringsten Konzentrationen im μg oder ng-Bereich pro Liter als endokrine Disruptoren.
Zur Entfernung von endokrin aktiven Substanzen oder anderen organischen oder anorganischen Verunreinigungen im Wasser, wie z.B. Spurenstoffe und/oder Mikroschadstoffe, können Wasserfilter auf Basis von Adsorptionsmaterialien, wie z.B. Aktivkohle, eingesetzt werden. Aus der DE 10 2013 006 711 AI ist ein Verfahren sowie eine Filtervorrichtung zur Behandlung bzw. Aufreinigung von Wasser auf Basis eines Adsorptionsfilters bekannt, der ein Adsorptionsmaterial auf Aktivkohlebasis enthält. Die aus dem Wasser zu entfernenden anorganischen oder organischen Verunreinigungen werden dabei durch physikalische Adsorption an dem Adsorptionsmaterial gebunden und dadurch aus dem Wasser entfernt. Bei der Verwendung von Adsorptionsmaterialien in Wasserfiltern besteht jedoch die Gefahr einer Keimbildung oder -Vermehrung im Adsorptionsmaterial, welche zu einer unerwünschten Verunreinigung des gefilterten Wassers führen kann.
Eine Verkeimung des Adsorptionsmaterials ist vor allem in Adsorptionsfiltern auf Aktivkohle-Basis zu beobachten. Dort können die im Trinkwasser suspendierten Mikroorganismen, wie Bakterien, Viren und gelegentlich auch niedere Pilze, das Adsorptionsmaterial besiedeln. So können bspw. bereits nach relativ kurzer Betriebsdauer Mikrokolonien und ganze Biofilme das Aktivkohlegranulat in einem Festbettfüter überziehen. Je nach Nährstoffgehalt des Rohwassers können sich Biofilme unterschiedlicher Ausprägung ausbilden. Der Grund für die rasche Ausbreitung von Mikroorganismen in solchen Adsorptionsfiltern ist die gute Wegsamkeit der mit relativ großen Zwischenräumen versehenen Aktivkohleschüttungen. Die in einem solchen Biofilm eingebetteten Mikroorganismen sind überdies auch in der Lage, bereits in der Aktivkohle aus dem zu filtrierenden Wasser adsorbierte Verbindungen als Nährstoffquelle zu nutzen. Wurden solche Substanzen nach längerem Betrieb des Filters am Adsorptionsmaterial akkumuliert, kann dies die Entwicklung von Biofilm noch zusätzlich fördern. Wird die Aktivkohle in einem Aktivkohlefilter nicht ständig von Rohwasser durchströmt, besteht ein besonders großes Verkeimungsrisiko, denn es bildet sich dann auf der Oberfläche der Aktivkohle ein feuchtes Milieu aus, das ideale Bedingungen für die Vermehrung von Keimen bietet. Aus diesen Gründen sind Adsorptionsfilter auf Aktivkohlebasis zwar sehr geeignet für die Entfernung von Spurenstoffen, Mikroschadstoffen und endokrinen Disruptoren aus Wasser, bergen jedoch ein hohes Verkeimungsrisiko.
Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Reinigung von Wasser aufzuzeigen, mit der sowohl eine Desinfizierung bzw. Sterilisierung des Wassers als auch die zuverlässige Entfernung von anorganischen oder organischen Verunreinigungen, wie z.B. Spurenstoffe und endokrine Disruptoren ermöglicht wird. Dabei soll eine effiziente und möglichst gleichmäßige Durchströmung des Wassers durch die Vorrichtung bei einem möglichst geringen Strömungswiderstand erfolgen. Dadurch soll es ermöglicht werden, die Vorrichtung bspw. an einer Entnahmestelle (point of use) für Trinkwasser anzuordnen, ohne einen Druckverlust zu erleiden.
Gelöst wird diese Aufgabe mit einer Vorichtung zur Reinigung von Wasser mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind den abhängigen Ansprüchen zu entnehmen.
Die erfindungsgemäße Vorichtung umfasst ein Gehäuse mit einem Rohwasserzulauf und einer im Gehäuse eingesetzten Kartusche, welche eine erste Lage und eine zweite Lage eines Adsorbermaterials (Adsorbens) enthält, wobei die erste und die zweite Lage jeweils aus einem elektroaktiven Adsorbermaterial mit einem in wässriger Umgebung elektrokinetischen Potenzial (ZETA-Potential) gebildet sind, an dem sich im Wasser enthaltene Mikroorganismen, insbesondere Viren und Keime, durch Elektroadsorption anlagern. Unter einem elektroaktiven Adsorbermaterial wird dabei ein Adsorbens mit einem in wässriger Umgebung (und insbesondere im pH-Bereich von 3 bis 9) von Null verschiedenen elektrokinetischen Potential verstanden, an dem sich geladene Partikel durch elektrostatische Adsorption anlagern können. Die Kartusche enthält weiterhin eine dritte Lage, welche zwischen der ersten und der zweiten Lage angeordnet ist und ein Adsorbens enthält, an dessen Oberfläche sich im Wasser befindliche Partikel oder gelöste Stoffe durch physikalische und/oder chemische Adsorption anlagern. Die Lagen der Kartusche sind dabei jeweils als Hohlzylinder ausgebildet und konzentrisch zueinander mit der ersten Lage radial außen liegend angeordnet, wobei zwischen der Innenseite des Gehäuses und der radial außen liegenden ersten Lage ein mit dem Rohwasserzulauf in Verbindung stehender Ringkanal zur gleichmäßigen Verteilung des Rohwassers in der Kartusche angeordnet ist. Das zu reinigende Wasser wird über den Rohwasserzulauf in das Gehäuse eingeleitet und über den Ringkanal so in die in dem Gehäuse angeordnete Kartusche eingeleitet, dass das Wasser in der Kartusche zunächst die erste Lage, danach die dritte Lage und schließlich die zweite Lage durchströmt. Dabei werden in der ersten und der zweiten Lage im Wasser enthaltene Mikroorganismen durch Elektroadsorption an dem elektroaktiven Adsorbermaterial der ersten bzw. zweiten Lage gebunden und dadurch aus dem Wasser entfernt. Beim Durchströmen der zwischen der ersten und der zweiten Lage angeordneten dritten Lage werden im Wasser befindliche unpolare Partikel oder gelöste Stoffe, darunter auch gelöste polare Stoffe, durch physikalische und/oder chemische Adsorption an dem Adsorbens der dritten Lage gebunden und auf diese Weise aus dem Wasser entfernt. Die physikalische bzw. chemische Adsorption erfolgt dabei durch Anreicherung und Bindung der polaren oder unpolaren Stoffe an der Oberfläche, insbesondere der inneren Oberfläche, des Adsorbens der dritten Lage.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist damit in der Lage, sowohl geladene Partikel, insbesondere negativ geladene Mikroorganismen, als auch ungeladene Partikel und unpolare gelöste Stoffe, insbesondere anorganische oder organische Verunreinigungen wie Spurenstoffe und endokrinaktive Substanzen, aus dem Wasser zu entfernen. Dabei wird verhindert, dass das zu reinigende Wasser durch Verkeimung des Adsorbens der dritten Lage mikrobiologisch verunreinigt werden kann. Um dies zu gewährleisten, ist die dritte Lage zwischen der ersten und der zweiten Lage angeordnet, welche jeweils ein elektroaktives Adsorbermaterial enthalten, an dem sich im Wasser enthaltene Mikroorganismen, insbesondere Viren und Keime, durch Elektroadsorption anlagern. Die dritte Lage mit dem Physi- bzw. Chemi- Adsorbens ist durch diese Anordnung beidseitig, d.h., stromaufwärts und stromabwärts des Wasserstroms, von dem elektroaktiven Adsorbermaterial der ersten bzw. der zweiten Lage umgeben, weshalb Mikroorganismen, die im Physi- bzw. Chemi-Adsorbens der dritten Lage durch natürliche Vermehrung entstehen können, nicht aus der erfindungsgemäßen Vorrichtung gelangen und somit das bereits gereinigte Wasser nicht verunreinigen können. Gleichzeitig wird gewährleistet, dass das poröse oder pulvrige Adsorptionsmaterial der dritten Lage nicht aus der Vorrichtung austreten kann, denn etwaige geladene Partikel des Adsorbens, welche von dem Wasserstrom mitgeführt werden, können in der stromabwärtig angeordneten zweiten Lage durch Elektroadsorption gebunden werden. Hierbei kann auch eine Strömungsumkehr erfolgen, ohne dass es zu einer (retrograden) Verkeimung des in entgegengesetzter Richtung (also von der zweiten, durch die dritte und schließlich durch die erste Lage) strömenden Wassers kommen kann. Zur Gewährleistung einer effizienten Elektroadsorption von im Wasser enthaltenen Mikroorganismen an dem elektroaktiven Adsorbermaterial der ersten und der zweiten Lage weißt das elektroaktive Adsorbermaterial der ersten und der zweiten Lage in wässrigen Umgebung und bevorzugt im pH-Bereich von 3 bis 9, insbesondere von 5 bis 8, ein elektropositives Potential (ZETA-Potential) auf.
Bei dem (Physi- bzw- Chemi-)Adsorbens der dritten Lage kann es sich beispielsweise um Aktivkohle, Kieselgel oder um ein Zeolith oder auch um eine Kombination dieser Materialien handeln. Das Adsorbens kann dabei zweckmäßig blockförmig oder als Aufschüttung eines Adsorbensgranulats vorliegen.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die erfindungsgemäße Vorrichtung zumindest im Wesentlichen zylindrisch ausgebildet, wobei die zylindrische Kartusche aus den drei jeweils als Hohlzylinder ausgebildeten und koaxial zueinander angeordneten Lagen besteht, wobei die erste Lage radial außen und die zweite Lage radial innenliegend angeordnet ist und das zu reinigende Wasser die Kartusche radial von außen nach innen durchströmt. Die Kartusche, bestehend aus der ersten, der zweiten und der dritten Lage, ist dabei zweckmäßigaustauschbar in dem ebenfalls zylindrisch ausgebildeten Gehäuse angeordnet. An dem zylindrischen Gehäuse ist dabei stirnseitig ein Anschlussstutzen angeordnet, der den Rohwasserzulauf enthält.
Das Gehäuse verfügt zweckmäßig über einen Rohwasserzulauf und zweckmäßig über einen Ausgang zur Ableitung des gereinigten Wassers sowie einen im Inneren des Gehäuses angeordneten und mit dem Ausgang verbundenen Sammelkanal, in dem das gereinigte Wasser gesammelt und zum Ausgang geleitet wird. Der Sammelkanal ist dabei zweckmäßig radial innenliegend angeordnet und verläuft in Axialrichtung der Kartusche. Das bevorzugt stirnseitig durch den Rohwasserzulauf in das Gehäuse einströmende Rohwasser verteilt sich gleichmäßig in dem Ringkanal, um von dort in radialer Richtung zunächst durch die radial außenliegende erste Lage, danach durch die dritte Lage und schließlich durch die radial innenliegende zweite Lage in den Sammelkanal zu strömen.
Sowohl die erste Lage als auch die zweite Lage können dabei zweckmäßig aus einem elektroaktiven Adsorbermaterial mit einem flächigen Trägermaterial gebildet und als Wickelkörper oder als Pliseekörper ausgeformt sein. Dies stellt eine große effektive Adsorberfläche der ersten und der zweiten Lage sowie einen einfachen Aufbau sicher und gewährleistet einen geringen Strömungswiderstand. Das zwischen der ersten Lage und der zweiten Lage angeordnete Adsorbens der dritten Lage kann bspw. als Sinterkörper ausgebildet sein.
Diese und weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus dem nachfolgend unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen näher beschriebenen Ausfuhrungsbeispiel. Die Zeichnungen zeigen:
Figur 1: Schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Reinigung von Wasser;
Figur 2: Perspektivische Explosionsdarstellung einer bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
Figur 3: Perspektivische Explosionsdarstellung der Vorrichtung von Figur 2 mit einem im Halbschnitt gezeigten Gehäuse;
Figur 4: Schnittdarstellung der Vorrichtung von Figur 3 mit einer Detailansicht eines am Gehäuse angeordneten Anschlussstutzens;
Figur 5: Schnittdarstellung einer weiteren Ausfuhrungsform einer Vorrichtung gemäß der Erfindung.
In Figur 1 ist schematisch eine Adsorberanordnung gezeigt, die in der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Reinigung von Wasser eingesetzt werden kann. Die Adsorberanordnung umfasst eine erste Lage 1 und eine zweite Lage 2. Diese sind jeweils aus einem elektroaktiven Adsorbermaterial mit einem in wässrigen Umgebung elektrokinetischen Potential (ZETA- Potential) gebildet. Aufgrund des elektrokinetischen Potentials des elektroaktiven Adsorbermaterials der ersten Lage 1 und der zweiten Lage 2 können sich im Wasser enthaltene Mikroorganismen, beispielsweise Viren und Keime, die regelmäßig elektrisch geladen sind, aufgrund Elektroadsorption am Adsorbermaterial anlagern. Im Wasser enthaltene Mikroorganismen sind in der Regel negativ geladen. Daher eignet sich für die Ausbildung des Adsorbermaterials der ersten Lage 1 und der zweiten Lage 2 besonders zweckmäßig ein elektropositives Adsorbermaterial, welches in wässriger Umgebung und insbesondere im typischen pH-Bereich von Trinkwasser zwischen 6,5 bis 9, ein positives elektrokinetisches ZETA-Potential aufweist.
Derartige elektroaktive Adsorbermaterialien können beispielsweise durch Faservliese oder Textil- Verbundstoffe gebildet sein, welche Metalloxide, insbesondere Aluminiumoxid und/oder Aluminiumhydroxide und/oder Böhmit und/oder Zirkonoxid und/oder Zirkoniumhydroxid enthalten. Das elektroaktive Adsorbermaterial kann auch ein Silikat, beispielsweise Aluminium- oder Kalzium-Silikat enthalten. Elektroaktive Adsorbermaterialien, die Silikate wie beispielsweise Aluminium- oder Kalziumsilikate enthalten, sind elektronegativ geladen und können daher auch positiv geladene Partikel aus dem Wasser durch Elektroadsorption am Adsorbermaterial entfernen. Besonders zweckmäßig ist die Ausbildung des Adsorbermaterials der ersten und der zweiten Lage durch ein Gemisch von Mikro- oder Nanoteilchen oder Fasern eines Metalloxids mit einem Trägermaterial gebildet, beispielsweise aus einem Faservliesstoff als Trägermaterial und darauf oder darin eingearbeiteten Polymer-, Karbon- oder Glasfasern. Das elektroaktive Adsorbermaterial der ersten und der zweiten Lage kann auch ein keramisches Trägermaterial umfassen, welche mit einer Beschichtung versehen ist, die ein Metalloxid und/oder ein Metallhydroxid und/oder Böhmit oder Zirkonoxid bzw. Zirkoniumhydroxid enthält.
Eine Kartusche für die erfindungsgemäße Vorrichtung ist aus der ersten Lage 1 , der zweiten Lage 2 und einer dritten Lage 3 gebildet, wobei die erste und die zweite Lage aus einem elektroaktiven Adsorbermaterial mit einem in wässriger Umgebung elektrokinetischen Potential (Zeta-Potential) bestehen, und die dritte Lage 3 wenigstens ein Adsorbens enthält, an dessen (innerer) Oberfläche sich im Wasser befindliche Partikel oder gelöste Stoffe durch physikalische und/oder chemische Adsorption (Physisorption bzw. Chemisorption) anlagern können. Bevorzugt handelt es sich bei dem Adsorbens der dritten Lage 3 um (mikro-)poröse Materialien, wie z.B. Aktivkohle oder Zeolithe. Die dritte Lage 3 kann auch andere Adsorptionsmaterialien enthalten, welche Mikroorganismen durch Physisorption und/oder Chemisorption binden, wie z.B. Silikagel oder Carbonpulver. Die in Figur 1 schematisch dargestellte Adsorberanordnung bestehend aus der ersten Lage 1 , der zweiten Lage 2 und der dritten Lage 3 wird von dem zu reinigenden Wasser in einer Strömungsrichtung S durchströmt, wobei das Wasser zunächst die erste Lage 1, danach die dritte Lage 3 und anschließend die zweite Lage 2 durchströmt. Beim Durchströmen durch die erste Lage 1 werden in dem Wasser enthaltene Mikroorganismen aufgrund ihrer elektrischen Ladung durch Elektroadsorption an dem elektroaktiven Adsorbermaterial der ersten Lage 1 angelagert und dadurch aus dem Wasser entfernt. Das dadurch von Mikroorganismen bereits weitgehend befreite Wasser strömt danach durch die dritte Lage 3. Dort werden im Wasser befindliche Partikel oder gelöste Stoffe, wie z.B. organisch oder anorganisch basierte Verunreinigungen, Spurenstoffe oder Mikroschadstoffe, durch physikalische und/oder chemische Adsorption an dem Adsorbens der dritten Lage 3 angelagert und dadurch aus dem Wasser entfernt.
Danach strömt das Wasser durch die zweite Lage 2. Dort werden einerseits noch im Wasser enthaltene Mikroorganismen durch Elektroadsorption am elektroaktiven Adsorbermaterial der zweiten Lage 2 angelagert und so aus dem Wasser entfernt. Andererseits werden auch geladene Partikel des Adsorbens der dritten Lage 3, die beim Durchströmen des Wassers durch die dritte Lage 3 vom Wasserstrom mitgerissen worden sind, in der zweiten Lage 2 durch Elektroadsorption am elektroaktiven Adsorbermaterial gebunden und dadurch aus dem Wasser entfernt.
Die zweite Lage 2 stellt sicher, dass Mikroorganismen, wie Viren und Keime, die sich durch natürliche Vermehrung in dem Adsorbens der dritten Lage 3 gebildet haben, nicht aus der Vorrichtung gelangen können. Dadurch wird vermieden, dass das zu reinigende Wasser in der dritten Lage 3 durch dort entstandene Mikroorganismen wieder verunreinigt wird, wenn das Wasser die dritte Lage 3 durchströmt.
Besonders zweckmäßig ist die dritte Lage 3 als Adsorberblock eines porösen Adsorbens, beispielsweise eines Aktivkohle- oder eines Zeolith-Blocks oder eines porösen Sintermaterials gebildet. Zweckmäßig handelt es sich bei dem Adsorberblock der dritten Lage 3 um einen Sinterkörper. Alternativ dazu kann die dritte Lage 3 auch eine Aufschüttung eines pulver- oder granulatförmigen Adsorbens enthalten, beispielsweise in der Form von Aktivkohlepulver oder Zeolith-Granulat. Das Adsorbens der dritten Lage 3 wird dabei durch die erste und die zweite Lage 1, 2 gekapselt. Dadurch kann bspw. das pulvrig oder granulatförmige Adsorbens der mittleren, dritten Lage 3 zwischen der ersten Lage 1 und der zweiten Lage 2 gehalten werden. Die Lagen 1, 2, 3 können dabei auch in einem Zwischengehäuse mit einer fiüssigkeitsdurchlässigen Außenwand angeordnet sein. Die erste Lage 1 und die zweite Lage 2 sind besonders bevorzugt in Form eines Wickel- oder eines Plisseekörpers ausgebildet. Solche Wickel- oder Plisseekörper können durch Wicklung oder plisseeförmige Faltung eines flachen Adsorbermaterials hergestellt werden. Hierfür eignen sich besonders elektroaktive Textil- Verbundstoffe oder flache Trägermaterialien, die (wie oben beschrieben) mit einem elektroaktiven Metall(hydro)oxid beschichtet sind oder ein Metall(hydro)oxid beispielsweise in Form von Mikro- oder Nanoteilchen oder Metall(hydro)oxid-Fasern enthalten.
In den Figuren 2 bis 4 ist eine bevorzugte Ausführungsform eine erfindungsgemäßen Vorrichtungmit der in Figur 1 gezeigten Adsorberanordnung mit den Lagen 1 bis 3 gezeigt. Die Adsorberanordnung bestehend aus den Lagen 1 bis 3 ist dabei als zylindrische Kartusche 10 ausgebildet, welche die jeweils als Hohlzylinder ausgebildeten Lagen 1-3 enthält. Der Hohlzylinder der ersten Lage 1 weist dabei einen Innendurchmesser auf, der etwas größer als der Außendurchmesser des Hohlzylinders der dritten Lage 3 ist und der Innendurchmesser des Hohlzylinders der dritten Lage 3 ist geringfügig größer als der Außendurchmesser des Hohlzylinders der zweiten Lage 2. Die Hohlzylinder der ersten, der dritten und der zweiten Lage sind konzentrisch zueinander angeordnet, wie in Figur 2 gezeigt. Die Kartusche 10 ist in einem zylindrischen Gehäuse 4 mit einem Zylindermantel 4a und einem geschlossenen Boden 4b angeordnet. Zweckmäßig ist die Kartusche 10 aus dem Gehäuse 4 herausnehmbar, um die Adsorberanordnung mit den Lagen 1 bis 3 auswechseln zu können. Zum Verschließen und Öffnen des Gehäuses 4 ist ein abnehmbarer Deckel 4c vorgesehen (Figuren 3 und 4).
In dem gezeigten Ausführungsbeispiel der Figuren 2 bis 4 sind die erste Lage 1 und die zweite Lage 2 jeweils als hohlzylindrische Plisseekörper aus einem flachen, elektroaktiven Adsorbermaterial gebildet, das plisseeförmig gefaltet ist. Das flache Adsorbermaterial der ersten und der zweiten Lage 2 ist dabei jeweils plisseeförmig entlang von Falzen gefaltet, die längs der Achse des Hohlzylinders der Lagen 1 und 2 verlaufen. Die Außenkanten des flachen Adsorbermaterials sind zur Bildung eines Hohlzylinders entlang einer axial verlaufenden Verbindungslinie zusammengefügt, beispielsweise durch Verkleben der Außenkanten des flachen Adsorbermaterials. Die erste und die zweite Lage 1, 2 können bei diesem Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung auch durch hohlzylindrisch aufgewickelte Wickelkörper aus einem flachen elektroaktiven Adsorbermaterial gebildet sein. Zwischen den Hohlzylindern der ersten Lage 1 und der zweiten Lage 2, ist die dritte Lage 3 angeordnet. Diese ist als hohlzylindrischer Block aus einem Adsorbens gebildet, bevorzugt aus Aktivkohle.
Die Adsorberanordnung mit den Lagen 1 bis 3 in Form konzentrisch ineinander angeordneter Hohlzylinder umgibt bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung einen im Zentrum der Anordnung axial verlaufenden Sammelkanal 7. Der Durchmesser des im Wesentlichen rohrförmigen und in Axialrichtung der Kartusche 10 verlaufenden Sammelkanals 7 entspricht dabei dem Innendurchmesser des Hohlzylinders der radial innen liegenden zweiten Lage 2.
Wie in Figur 2 gezeigt, ist an der stirnseitigen Oberseite der Kartusche 10 mit den drei Lagen 1 bis 3 eine scheibenförmige Kappe 11 vorgesehen. Diese Kappe 11 umfasst einen am Außenumfang der Kappe 11 umlaufenden Kragen I Ib, der den Außenumfang der radial außen liegenden ersten Lage 1 im oberen Bereich umgreift. Dadurch werden die drei Lagen 1 , 2, 3 zur Ausbildung der Kartusche 10 zusammen gehalten. Die Innenfläche der Kappe 11 ist dabei flüssigkeitsdicht mit den (oberen) Stirnseiten der Lagen 1, 2, 3 verbunden, bspw. durch Verkleben. Im Zentrum der scheibenförmigen Kappe 11 ist ein hohlzylindrischer Auslassstutzen I Ia angeformt, der mit einer Auslassöffnung in der Kappe 11 verbunden ist. Der Auslassstutzen 1 la ist über diese Auslassöffnung mit dem Sammelkanal 7 verbunden. An der Unterseite der Kartusche 10 ist ein scheibenförmiger Boden 12 mit einem am Außenumfang umlaufenden Kragen 12a angeordnet. Die Innenfläche des Bodens 12 ist ebenfalls flüssigkeitsdicht mit den (unteren) Stirnseiten der Lagen 1, 2, 3 verbunden, bspw. durch Verkleben.
Aus den Figuren 3 und 4 ist ersichtlich, wie die Kartusche 10 bestehend aus den Lagen 1, 2 und 3, dem Boden 12 und der an der stirnseitigen Oberseite aufgesetzten Kappe 11 in dem Gehäuse 4 angeordnet ist. Die Kartusche 10 ist dabei mit ihrem Boden 12 auf dem Gehäuseboden 4b aufgesetzt, wobei zweckmäßig an der Innenseite des Gehäusebodens 4b ein ringförmiger Abstandshalter 4b" vorgesehen ist, auf dem die Unterseite des Bodens 12 der Adsorberanordnung aufliegt. Zwischen dem Außenumfang der radial äußeren ersten Lage 1 und dem Innenumfang des Zylindermantels 4a des Gehäuses 4 ist ein Ringkanal 8 ausgebildet. An der Oberseite des Gehäuses 4 ist der Gehäusedeckel 4c auf den Zylindermantel 4a aufgesetzt. Der Gehäusedeckel 4c ist im Wesentlichen scheibenförmig mit einem am Außenumfang umlaufenden und den Außenumfang des Zylindermantels 4a umgreifenden Flansch ausgebildet. Im Zentrum des scheibenförmigen Deckels 4c ist eine Öffnung 13 vorgesehen. Der Gehäusedeckel 4c verfügt über einen im Zentrum angeformten Anschlussstutzen 9. Dieser Anschlussstutzen 9, der im Einsatz der Figur 4 im Detail gezeigt ist, ist im Wesentlichen hohlzylindrisch ausgebildet und weist einen Ausgang 6 sowie einen konzentrisch dazu angeordneten Rohwasserzulauf 5 auf. Der Rohwasserzulauf 5 ist durch einen koaxial zum Ausgang 6 angeordneten Ringkanal gebildet und verfügt über Anschlussöffnungen 5', die mit einer Rohwasserleitung verbunden werden können. In den axial verlaufenden Ausgang 6 des Anschlussstutzens 9 greift der Auslassstutzen I Ia des Deckels 11 ein, wie aus Figur 4 ersichtlich. Zwischen der Unterseite des Gehäusedeckels 4c und der Oberseite der Kappe 11 ist ein Zwischenraum 8' vorgesehen, der mit dem Ringkanal 8 in Verbindung steht.
Zur Reinigung von Rohwasser mit der in den Figuren 3 und 4 gezeigten Vorrichtung wird eine Rohwasserleitung an den Rohwasserzulauf 5 angeschlossen. Das zu reinigende Rohwasser strömt durch den Rohwasserzulauf 5 zunächst in den Zwischenraum 8' und verteilt sich von dort in den Ringkanal 8. Hiervon ausgehend strömt das Rohwasser in radialer Richtung von außen nach innen durch die Kartusche 10, wobei zuerst die radial außen liegende erste Lage 1, danach die dritte Lage 3 und schließlich die radial innen liegende zweite Lage 2 durchströmt wird. Das Wasser, das die Lagen 1, 3 und 2 durchströmt hat, sammelt sich in dem zentralen Sammelkanal 7 und kann von dort durch den Ausgang 6 die Vorrichtung verlassen.
In der beschriebenen Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung kann die Strömungsrichtung des zu reinigenden Wassers auch umgekehrt werden, so dass das Rohwasser durch den zentralen Kanal 7 eingeleitet wird und zuerst die radial innere zweite Lage 2, danach die dritte Lage 3 und schließlich die radial außen liegende erste Lage 1 durchströmt. Zu einer entsprechenden Strömungsumkehr kann es in der beschriebenen Ausführungsform der Vorrichtung auch durch einen (mit einer Pumpe erzeugten oder unbeabsichtigten) Unterdruck auf Seiten der radial außen liegenden ersten Lage 1 kommen. In Figur 5 ist eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung gezeigt, welche im Vergleich zu der Vorrichtung der Figur 4 in um 180° gedrehter Lage verwendet wird. Dabei erfolgt eine Entlüftung des zentralen Sammelkanals 7 durch ein inneres Steigrohr 17, welches den Sammelkanal 7 umgibt und hierfür im Zentrum der Vorrichtung sowie radial innerhalb und im radialen Abstand zu der inneren Lage 2 angeordnet ist. Das Steigrohr 17 ist an seinem in Figur 5 gezeigten unteren Ende mit dem Ausgang 6 verbunden und weist an seinem gegenüberliegenden Ende eine Mündung auf, die im Abstand zur Innenfläche des Bodens 12 der Kartusche 10 angeordnet ist, so dass sich zwischen der Mündung des Steigrohrs 17 und dem Boden 12 ein Zwischenraum 16 ergibt. Die Strömungsrichtung des in den Rohwasserzulauf 5 einströmenden Wassers ist in Figur 5 mit Pfeilen dargestellt. Wie daraus ersichtlich, strömt das Wasser vom Rohwasserzulauf 5 über den Zwischenraum 8' in den Ringkanal 8 und von dort in radialer Richtung (in dieser Reihenfolge) durch die Lagen 1 , 3 und 2. Zwischen dem Innenumfang der radial inneren Lage 2 und dem Außenumfang des Steigrohrs 17 ist ein Abstand vorgesehen, der einen inneren Ringkanal 15 ausbildet, in dem sich das gereinigte Wasser sammelt. Sobald der innere Ringkanal 15 vollständig mit gereinigtem Wasser gefüllt ist und der Wasserspiegel im inneren Ringkanal 15 die Mündung des Steigrohrs 17 übersteigt, läuft gereinigtes Wasser in das Steigrohr 17 und dort schwerkraftbedingt nach unten zum Ausgang 6. Das Steigrohr 17 stellt dabei beim Befüllen der Vorrichtung eine Entlüftung sicher.

Claims

Ansprüche
1. Vorrichtung zur Reinigung von Wasser, umfassend
ein Gehäuse (4) mit einem Rohwasserzulauf (5) und einer im Gehäuse (4) eingesetzten
Kartusche (10), welche enthält:
eine erste Lage (1) aus einem elektroaktiven Adsorbermaterial mit einem in wässriger Umgebung elektrokinetischen Potential (Zeta-Potential), an dem sich im Wasser enthaltene Mikroorganismen, insbesondere Viren und Keime, durch Elektroadsorption anlagern,
eine zweite Lage (2) aus einem elektroaktiven Adsorbermaterial mit einem in wässriger Umgebung elektrokinetischen Potential (Zeta-Potential), an dem sich im Wasser enthaltene Mikroorganismen, insbesondere Viren und Keime, durch Elektroadsorption anlagern,
- und eine zwischen der ersten Lage (1) und der zweiten Lage (2) angeordnete dritte Lage (3), welche ein Adsorbens enthält, an dessen Oberfläche sich im Wasser befindliche Partikel oder gelöste Stoffe durch physikalische und/oder chemische Adsorption anlagern,
- wobei die Lagen (1, 2, 3) jeweils als Hohlzylinder ausgebildet und konzentrisch zueinander mit der ersten Lage (1) radial außen liegend angeordnet sind und wobei zwischen der Innenseite des Gehäuses (4) und der radial außen liegenden ersten Lage (1) ein mit dem Rohwasserzulauf (5) in Verbindung stehender Ringkanal (8) zur Verteilung des Rohwassers in der Kartusche (10) angeordnet ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das elektroaktive Material der ersten und der zweiten Lage (1, 2) in wässriger Umgebung im pH- Bereich von 3 bis 9 ein elektrokinetisches Potential (Zeta-Potential), insbesondere ein positives elektrokinetisches Potential, aufweist.
3. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Adsorbermaterial der ersten und der zweiten Lage (1, 2) um einen elektropositiven Textil- Verbundstoff oder um ein Faservlies handelt und/oder dass das Adsorbermaterial ein Metalloxid, insbesondere Aluminumoxid und/oder Aluminumhydroxid und/oder Böhmit und/oder Zirkonoxid und/oder Zirkoniumhydroxid, und/oder ein Silikat, insbesondere Aluminium- oder Calcium- Silikat, enthält.
4. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Adsorbermaterial der ersten und der zweiten Lage (1, 2) ein Gemisch von Mikro- oder Nanoteilchen oder -Fasern eines Metalloxids mit einem Trägermaterial, insbesondere aus Polymer-, Carbon- oder Glasfasern oder einer Mischung davon, enthält oder aus einem solchen Gemisch besteht.
5. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Adsorbermaterial der ersten und der zweiten Lage (1, 2) ein keramisches Trägermaterial oder ein Faservlies aufweist, welches mit einer Beschichtung versehen ist, die ein Metalloxid und/oder ein Metallhydroxid enthält.
6. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Adsorbens der dritten Lage (3) um ein poröses Material, insbesondere um Aktivkohle, Kieselerde, insbesondere Kieselsäuregel und/oder um ein Zeolith handelt.
7. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die dritte Lage (3) aus einem Sinterkörper gebildet ist.
8. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (4) und die darin eingesetzte Kartusche (10) im Wesentlichen zylindrisch sind, wobei in der Kartusche (10), die erste Lage (1) radial außen und die zweite Lage (2) radial innen liegend und die dritte Lage (3) dazwischen angeordnet ist, wodurch die mittlere dritte Lage (3) von den beiden anderen Lagen (1, 2) gekapselt ist.
9. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kartusche (10) austauschbar in dem Gehäuse (4) angeordnet ist.
10. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (4) über mindestens einen Rohwasserzulauf (5) und einen Ausgang (6) zur Ableitung des gereinigten Wassers verfügt und dass im Inneren des Gehäuses (4) ein mit dem Ausgang verbundener Sammelkanal (7) angeordnet ist, in dem das gereinigte Wasser gesammelt wird.
11. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Sammelkanal (7) radial innenliegend angeordnet ist und in Axialrichtung der Kartusche (10) verläuft.
12. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohwasser durch den Rohwasserzulauf (5) in das Gehäuse (4) und stirnseitig in die Kartusche (10) einströmt und darin die Lagen (1, 2, 3) radial von außen nach innen durchströmt.
13. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (4) über einen Zylindermantel (4a), einen geschlossenen Boden (4b) und einen auf den Zylindermantel (4a) aufgesetzten Deckel (4c) verfügt, wobei an dem Deckel (4c) ein Anschlussstutzen (9) angeordnet ist, der den Rohwasserzulauf (5) und den Ausgang (6) enthält.
14. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Lage (1) und/oder die zweite Lage (2) aus einem Adsorbermaterial mit einem flächigen Trägermaterial gebildet und als Wickelkörper oder als Plisseekörper ausgeformt sind.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Sammelkanal (7) durch ein Steigrohr (17) begrenzt ist, welches radial innerhalb sowie im radialen Abstand zu der inneren Lage (2) angeordnet ist.
16. Vorrichtung nach Anspruch 15, wobei das Steigrohr (17) an einem Ende mit dem Ausgang (6) verbunden ist und am anderen Ende eine im Abstand zur Innenfläche des Bodens (12) der Kartusche (10) angeordnete Mündung aufweist.
17. Vorrichtung nach Anspruch 15 oder 16, wobei zwischen dem Innenumfang der radial inneren Lage (2) und dem Außenumfang des Steigrohrs (17) ein innerer Ringkanal (15) ausgebildet ist, in dem sich das gereinigte Wasser sammelt.
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