13 Dez 2016

Hydromechanische Kavitation – keimfrei ohne Biozide

Hydromechanische Kavitation zur Wasseraufbereitung nutzt chemische und physikalische Kräfte der Kavitation zur Beseitigung von Verkeimungen im Kühlwasser

13 Dez 2016

Wer öfter in unseren schönen Bergregionen unterwegs ist, kennt wahrscheinlich die Bilder von Viehtränken auf den Weiden; irgendwie sind die Metall- oder Holzbottiche am Rand immer grün bewachsen – „die Tränke lebt“.

Viehtränke

Foto: pixabay / CC0, public domain

Warum aber findet man in schnell fließenden Gewässern so wenig Anzeichen für eine solche Ablagerung von Biofilmen und „grünen Bewuchs“ an umspülten Steinen,  im Wasserlauf liegenden Kieselsteinen oder im Wasser treibend? – das hat etwas mit der Eigenschaft des strömenden Wassers zu tun, könnte man meinen …

Strömendes Wasser verkeimt nicht

Das ist in der Tat der Fall: schnell strömendes Wasser neigt deutlich weniger zur Verkeimung und der Ausbildung von Biofilmen als ein stehendes Gewässer. Das hat vor allem damit zu tun, dass die hohe Strömungsgeschwindigkeit den im Wasser enthaltenen Mikroorganismen bei ihrem Versuch der Ablagerung einiges an mechanischer Kraft entgegensetzt.

Wildbach

Foto: Pixabay / CC0, public domain

Treibt man die Strömungsgeschwindigkeit weiter nach oben, wie dies z.B. in Wasserfällen, Gebirgswasserläufen oder auch Turbinenausläufen der Fall ist, sind diese mechanischen Kräfte noch erheblich höher.

Neben der mechanischen Komponente wirkt noch ein weiterer Effekt: durch die hohe Strömungsgeschwindigkeit wird die Oberfläche des Wassers „aufgerissen“, es kommt zur leichteren Durchmischung mit der Umgebungsluft. Auf diese Weise werden größere Mengen an Sauerstoff in das Wasser eingetragen, die den anaeroben Bakterien und Mikroorganismen das Überleben schwer machen; es kommt vermehrt zu Zelloxidations-Prozessen, bei denen die Mikroorganismen zerstört und abgetötet werden.

Kavitation – Vor- und Nachteile

Im Grunde handelt es hierbei um kavitierende Systeme, die man bereits seit vielen Jahren auch in der Hydrodynamik des Schiffbaus kennt. Aus diesen Untersuchungen weiß man, dass die mechanischen Kräfte in kavitierenden zum Teil gewaltig sind. Tritt Kavitation beispielsweise an der Oberfläche fester Körper (wie zum Beispiel eines sich schnell drehenden Schiffspropellers) auf, kommt es unter Umständen zu einem sogenanntem Kavitationsfraß. Daher ist Kavitation in der Hydraulik meist unerwünscht.

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Video: YouTube

Denn einerseits reduziert sie den Wirkungsgrad (von Schiffspropellern, Pumpenlaufrädern u.a.), andererseits kann sie in relativ kurzer Zeit zu mechanischen Beschädigungen führen, denn beim Implodieren der Hohlräume treten kurzzeitig extrem hohe Beschleunigungen, Temperaturen und Drücke auf, die nahezu jedes verwendete Material angreifen können. Um Kavitation in Pumpen zu verhindern, sollte man beispielsweise darauf achten, dass die Temperatur der Flüssigkeit in der Pumpe beziehungsweise der Ansaugdruck der Pumpe nicht zu hoch werden.

Aus zahlreichen technischen Untersuchungen weiß man, dass auch chemische Reaktionen in Kavitationsblasen vollkommen anders ablaufen als in einer „ruhigen Lösung“. Für solche Prozesse wird in der Regel Ultraschall zur Kavitationsanregung von  Flüssigkeiten eingesetzt („Sonochemie„). Auch hier unterscheidet man chemische und physikalische Effekte, die den Ablauf chemischer Reaktionen beeinflussen. So zeigen beispielsweise die Solvatation von Ionen und das Lösungsverhalten sowie die Reaktionsfähigkeit von gelösten Gasen zum Teil erhebliche Unterschiede zu Reaktionen in „klassischen Flüssigmedien“.

Hydromechanische Kavitation zur Wasseraufbereitung – Kavitation als Entkeimungsverfahren

Diese beiden Vorteile des physikalisch-mechanischen wie auch des chemischen Einflusses macht sich die hydromechanische Kavitation zur Wasseraufbereitung im technischen Bereich bewusst zunutze (z.B. im SIMPLEX-Verfahren der Dilligence Systems GmbH): beschleunigt man beispielsweise ein im Kreislauf geführtes Wasser mit einer geeigneten Hochdruckpumpe immer weiter und lässt es dann in eine speziell geformte Druck- / Reaktionskammer strömen,

Animation SIMPLEX-Verfahren

Foto: Dilligence Systems GmbH

so kommt es durch die auftretenden hohen Zentrifugal- wie auch Zentripetalkräfte zur Ausbildung von extrem hohen Scher- und Reibungskräften und eines erheblichen Unterdrucks (bis zu -1,0 bar), der schließlich zur Kavitation in der Flüssigkeit führt. Durch diese hohen mechanischen Kräfte werden die Zellmembranen von im Wasser enthaltenen Mikroorganismen aufgerissen und mechanisch zerstört. Dabei treten die Zellorganellen und andere Inhaltsstoffe aus den Einzellern aus und werden vom umgebenden Wasser aufgenommen.

Mechanisch-physikalische Kräfte und chemische Reaktionen zerstören Zellmembranen

Nun kommt die chemische Aktivität der eingetragenen Umgebungsluft zur Wirkung: der entstehende Unterdruck saugt die Luft mit einem Venturidüsen-Effekt in die Reaktionskammer, die Kavitationskräfte verursachen hier die Entstehung hochreaktiver Sauerstoffradikale aus dem eingetragenen Luftsauerstoff, die nun in Form einer kalten Oxidation die eingetragenen organischen Zellbestandteile oxidieren und abbauen. Reste des organischen Materials werden über rückspülbare Fein-Filter abgetrennt und das gereinigte Wasser tritt in der zugrunde liegenden Kreislaufführung wieder in der Beschleunigungs- und Kavitationsprozess ein. Diese mechanischen Filter sorgen auch dafür, dass in dem Kreislauf geführten Wasser keine anorganischen, z.B. silikatischen  Verunreinigung eingetragen werden. Dadurch werden Abrasion und andere mechanische Beschädigungen der Bauteile und Ausrüstungen im Rahmen der Durchführung des Kavitationspozesses wirkungsvoll verhindert.

Diese hydrophysikalische Wasseraufbereitung eignet sich hervorragend für die Behandlung der Kreislaufwässer in Kühlkreisläufen mit offenen Kühltürmen. Hier wird in aller Regel aufgrund des Einblasens großer Luftmengen zur Verdunstung des Kühlwassers eine große Menge an Keimen aus der Umgebungsluft in das Kühlwasser eingetragen. Je nach Temperaturverhältnissen und dem Vorhandensein weiterer organischer Materie als Nahrungsmittelbasis für die eingetragenen Mikroorganismen vermehren sich diese im Kühlwasserkreislauf und führen zur Ausbildung von Biofilmen und der Entstehung mikrobiell belasteter Aerosole, die über den Kühlturm in die Umgebung ausgetragen werden können. Werden solche bakteriell belasteten Aerosole eingeatmet, kann es zu schweren Lungenerkrankungen kommen (-> Legionellose).

Hygienische Kühlwasserbehandlung gem. Vorgaben der VDI 2047-2

 

Rückkühlwerk

Foto: Wikipedia.de / CC 3.0

Die hydromechanische Kavitation zur Wasseraufbereitung sorgt dafür, dass sich keine Mikroorganismen im Kühlwasser vermehren und ausbreiten können. Und das ganze ohne den Einsatz klassischer chemischer Biozide, die in aller Regel zwar ihre Arbeit in Sachen Entkeimung ebenfalls wirkungsvoll ausführen, aber aufgrund der stets gegebenen  Grundwassergefährdung in Transport, Lagerung und Handling hohe Sicherheitsanforderungen verursachen. Außerdem werden die chemischen Abbau- und Nebenprodukte (z.B. Halogenide) in das Kühlwasser eingetragen und gelangen im Verlauf von Absalzungsprozessen in Kläranlagen und im Anschluss daran dann in Oberflächengewässer und Grundwasser.

Mit ihrer hohen Wirksamkeit erfüllt die hydrophysikalische Wasseraufbereitung in idealer Weise die Forderungen der im Januar 2015 in Kraft getretenen VDI-Richtlinie 2047-2, die den hygienischen Betrieb von Rückkühlwerken und Nassverdunstungsanlagen regelt und durchzuführenden Hygieneuntersuchungen und -maßnahmen vorschreibt.

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Blog-Beiträge Dr. Matthias Brück

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