Chlordioxid vor Ort erzeugt

Abb. 1 Für den Einsatz in der Getränke- und Nahrungsmittelindustrie eignet sich die Kompaktanlage Oxiperm C 164, die nach dem Chlorit-Salzsäure-Verfahren arbeitet

Abb. 2 Die HOCl/OCl–Verteilung hängt vom pH-Wert und der Temperatur ab

Abb. 3 Bakterizide Wirkung von Cl2 und ClO2 nach Bernade

Abb. 4 Fließschema der Kompaktanlage Oxiperm C 164 (1) Vorratsbehälter für die Salzsäure- und Natriumchloritlösungen, (2) Leermelde- und Niveaukontrollsonde, (3) Dosierpumpen, (4) Dosiercontroller, (5) ClO2-Reaktor,(6) ClO2-Durchflußwächter, (7) Elektromagnetventil, (8) Bypass-Durchflußwächter, (9) Statikmischer, (10) Elektronik, (11) Sicherheits-Absaugeinrichtung, (12) ClO2-Sensor

Chlordioxid kommt als zuverlässiges und wirkungsvolles Desinfektionsmittel in unterschiedlichen Bereichen, beispielsweise in Flaschenabfüll- und Reinigungsanlagen, zum Einsatz. Mit der Kompaktanlage Oxiperm C 164 kann vor Ort Chlordioxid nach dem Chlorit-Salzsäure-Verfahren hergestellt werden. Die Hauptkomponenten der Anlage Reaktor, Statikmischer sowie die dazugehörigen Kontroll-, Überwachungs- und Steuereinrichtungen sind in einem Schrank untergebracht, der für die Wandmontage geeignet ist

Im Vergleich zum Chlor zeichnet sich Chlordioxid (ClO2) durch eine verbesserte bakterizide, sporizide und viruzide Wirkung aus, dies gilt besonders für Wässer mit höheren pH-Werten. Die Ursache hierfür liegt ? wie in Abbildung 2 dargestellt ? in der pH-abhängigen chemischen Dissoziation der desinfektionsrelevanten unterchlorigen Säure (HOCl) zu dem unwirksamen Hypochloritanion (OCl-).

HOCl + OH- > OCl- + H2O

Chlordioxid besitzt im Vergleich zum Desinfektionsmittel Chlor eine ca. 2,5fach höhere mikrobiozide Wirkung. Zudem bildet es keine geruchsintensiven Chloramine (NH2Cl, NHCl2) oder Trihalogenmethane (Chloroform). Dieser Umstand ist gerade in der Brau- und Getränkeindustrie bei der Desinfektion von Flaschen, Behältern und Anlagenteilen von großer Bedeutung. Unter ökologischen Gesichtspunkten ist die stark verminderte Bildung von AOX bzw. schwer- und nichtflüchtigen Organohalogen-Verbindungen (NPOX) ebenfalls ein Vorteil.

Im Gegensatz zum Chlor weist Chlordioxid eine erheblich höhere Geschmacks- und Geruchsgrenze auf und bildet mit Phenolen kein Chlorphenol, das den typischen Apothekergeruch oder -geschmack bei der Reinigung verursachen kann.

Das gasförmige Chlordioxid hat einen Siedepunkt von 11 °C und einem Schmelzpunkt von -59 °C. Aus chemisch-physikalischen Gründen läßt es sich nicht komprimieren oder lagern. Da Chlorsauerstoff-Verbindungen in hoher Konzentration und unter Temperatureinwirkung zur spontanen Zersetzung neigen, ist es notwendig, Chlordioxid direkt am Ort der Anwendung herzustellen. ? Stabilisiertes Chlordioxid“ist zwar im Handel erhältlich, beinhaltet aber oftmals große Mengen an Natriumchlorit. Eine Aktivierung vor dem Einsatz, beispielsweise durch Oxidationsmittel, ist notwendig. Deshalb ist ?stabilisiertes Chlordioxid“ nur bedingt verwendbar.

Neben anderen gibt es für die Chlordioxid-Herstellung zwei Verfahren, das Säure-Chlorit- sowie das Chlorgas-Chlorit-Verfahren.

Beim Säure-Chlorit-Verfahren läuft folgende chemische Reaktion ab:

5 NaClO2 + 4 HCl > 4 ClO2 + 5 NaCl + 2 H2O

In Abhängigkeit von der zu erzeugenden Chlordioxid-Menge setzt man in der Regel eine Natriumchlorit-Lösung mit einer Konzentration von 7,5 Gew.-% und eine Salzsäure-Lösung um. Letztere hat eine Konzentration von 9 Gew.-%. Beide Komponenten werden in einem Volumenverhältnis von 1:1 in den Reaktor gefÖrdert. Nach einer definierten Reaktionszeit entsteht eine hochkonzentrierte Chlordioxid-Lösung. Sie enthält pro Liter etwa 20 g Chlordioxid und wird direkt am Reaktorausgang auf eine Konzentration von 2 bis 4 g/l verdünnt. Diese Chlordioxid-Konzentration ist für die meisten Anwendungen ausreichend.

Neben einer optimierten Reaktorauslegung hinsichtlich Vermischung und Verweilzeit der Ausgangsstoffe, ist ein stöchiometrischer Säureüberschuß notwendig, um hohe Chlordioxid-Ausbeuten zu erzielen.

Arbeitet man mit höherkonzentrierten Natriumchlorit- und Salzsäure-Lösungen, muß unter sichterheitstechnischen Gesichtspunkten gewährleistet sein, daß die Konzentration der entstehenden Chlordioxid-Lösungen immer kleiner als 25 g/l ist. Nur dann können unkontrollierte Zersetzungsreaktionen vermieden werden.

Die Erzeugung von Chlordioxid nach dem Chlorgas-Chlorit-Verfahren läuft nach folgender Reaktionsgleichung ab:

2 NaClO2 + Cl2 > 2 ClO2 + 2 NaCl

Hierbei wird eine Natriumchlorit-Lösung mit einer Konzentration von 24,5 Gew.-% mit einer Chlorgas-Lösung umgesetzt, die etwa 3g Chlor pro Liter enthält. Als Ergebnis der Reaktion entsteht eine Lösung mit einer Chlordioxid-Konzentration von bis zu 5 g/l. Auch hier wird mit Hilfe einer nachgeschalteten Verdünnungseinrichtung eine Chlordioxid-Konzentration von 2 bis 3 g/l eingestellt. Ein definierter Chlorüberschuß gewährleistet hohe Ausbeuten an Chlordioxid. Dieser hat keinen negativen Einfluß auf mikrobiozide Wirkung des Chloroxids. Zudem entstehen auch keine geruchsintensiven Chlorkohlenwasserstoffe, da durch das Chlordioxid die funktionellen Gruppen der organischen Wasserinhaltsstoffe so verändert werden, daß diese Nebenreaktionen nicht ablaufen können. Mit einem Chlorüberschuß von ca. 10 bis 20%, bezogen auf den stöchiometrischen Umsatz, lassen sich Chlordioxid-Ausbeuten von etwa 90 bis 95% erzielen. Durch eine weitere Erhöhung des Chlorüberschusses können diese Werte sogar noch gesteigert werden.

Eine rein stöchiometrische Umsetzung der Ausgangsstoffe ist nicht empfehlenswert, da aufgrund der Alkalität des Natriumchlorits und der Carbonathärte des Wassers nur eine unzureichende Umsetzung stattfinden würde.

Der konkrete Anwendungsfall bestimmt, welches der oben beschriebenen Verfahren zur Anwendung kommt und natürlich auch die Leistung der Chlordioxid-Anlage.

Für Desinfektionsaufgaben in der Getränke- und Nahrungsmittelindustrie kommen kompakte Anlagen mit kleinerer Leistung zur Anwendung. Da hier der Umgang mit Chlor unerwünscht ist, arbeiten die Anlagen nach dem Chlorit-Salzsäure-Verfahren.

Für den Einsatz in der Getränke- und Nahrungsmittelindustrie eignet sich die Kompaktanlage Oxiperm C 164. Der Aufbau der Anlage ist in Abbildung 4 dargestellt. Die Hauptkomponenten Reaktor, Statikmischer sowie die dazugehörigen Kontroll-, Überwachungs- und Steuereinrichtungen sind in einem Schrank untergebracht, der für die Wandmontage geeignet ist. Nach dem Starten der Anlage öffnet das Elektromagnetventil (7) und Verdünnungswasser fließt zum Statikmischer (9). Dabei setzt der Durchflußwächter (8) die Membran-Dosierpumpen (3) in Betrieb, die gleichzeitig die Salzsäure- und Natriumchloritlösung im Verhältnis 1:1 in den Reaktor leiten. Beide Lösungen haben die entsprechende Konzentration. Im Reaktor (5) entsteht eine Chlordioxid-Lösung mit einer Konzentration von 20 g/l enthält. Anschließend findet im Statikmischer die Verdünnung der Chlordioxid-Lösung auf 2 bis 4 g/l statt. Danach wird die verdünnte Chlordioxid-Lösung zur Impfstelle gefördert.

Insbesondere bei Aufbereitungsanlagen mit kleiner Leistung ist die genaue und zuverlässige Funktion der Dosierpumpen von entscheidender Bedeutung, weil die Salzsäure- und Natriumchloritlösung zum Ausgasen neigen. Dadurch kann die Dosiergenauigkeit negativ beeinflußt werden. Ein patentierter und speziell für diese Anwendungen entwickelter Doppelkammer-Dosierkopf stellt eine exakte und gasblasenfreie Zugabe der flüssigen Komponenten sicher. Induktive Dosierkontroller überwachen darüber hinaus ständig die Dosierströme. Durchflußwächter für die Chlordioxid-Lösung und das Verdünnungswasser sichern eine optimale Überwachung des Anlagenbetriebs. Ein im Anlagengehäuse eingebauter Chlordioxid-Sensor aktiviert im Falle einer Leckage einen Wasserstrahl-Absauginjektor, in dem das ausgetretene Chlordioxid im Betriebswasser aufgelöst wird.

Die Leistung der Anlage kann manuell zwischen zwischen 10 und 100% der maximalen Aufbereitungsleistung eingestellt werden. Eine Steuerung der Anlage in Abhängigkeit von der Menge des zu behandelnden Wassers ist über die Eingänge für Kontakt- und Stromsignale (0(4) bis 20 mA) möglich. Für eine kontinuierliche Regelung in Abhängigkeit von den Chlordioxid-Meßwerten, läßt sich die Anlage auf Wunsch mit einem präzisen potentiostatischen Chlordioxid-Meßsystem, einem PID-Meßverstärker und Stetigregler ausstatten.

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Dipl.-Ing. M. Ayatollahzadeh, Dipl.-Ing. (FH) R. Becker