Neuartige offene amperometrische Sensoren sorgen für eine exakte und stabile Bromdosierung in Kühltürmen

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Zusammenfassung

Chemische Biozide werden seit mehreren Jahrzehnten in Kühltürmen eingesetzt, um organische Verschmutzung zu verhindern. Im Handel sind viele chemische Biozide erhältlich, darunter Bleichlauge, aktivierte Bromprodukte und stabilisierte Chlor- und/oder Bromprodukte. Stabilisiertes Brom ist aufgrund seiner hohen Produktstabilität, seiner Wirksamkeit in hohen pH-Bereichen und seiner relativ sicheren Handhabung im Vergleich zu anderen Biozid-Produkten eine beliebte Wahl als Biozid.

In der Vergangenheit wurde die Konzentration von stabilisiertem Brom mit Redox-Sensoren gemessen. Redox-Sensoren können die Mengen der in einer Probe vorhandenen elektrochemisch aktiven Substanzen messen, sind allerdings nicht in der Lage, zwischen verschiedenen chemischen Substanzen zu unterscheiden. Da Kühltürme der Vorschriften mehrere chemische Zusätze benötigen, liefert eine ORP-Messung demnach nicht die präzisesten Messergebnisse für die stabilisierte Bromkonzentration im Turm.

Für dies spezielle Anwendung, stellen offene, amperometrische Sensoren mit “offener Zelle” eine bessere Alternative zu Redox-Sensoren dar. Offene amperometrische Sensoren haben sich bereits bei der Messung und Dosierung von freien und kombinierten Chlorprodukten sowie von aktivierten Bromprodukten bewährt. Aufgrund ihres soliden Designs geben amperometrische Sensoren ein klar interpretierbares Signal ab, das sich direkt auf die Konzentration der vorhandenen Chlor- und Bromarten bezieht.

Um zu demonstrieren, dass offene amperometrische Sensoren stabilisierte Bromprodukte präzise und zuverlässig messen können, installierten wir einen Sensor in einem 200-Tonnen-Kühlturm, welcher sich in einer Industrieanlage in einem Vorort von Chicago befand. Der Kühlturm für diese Fallstudie wird über eine Zeitschaltuhr betrieben, d. h. eine hochkonzentrierte Biozidlösung wird zu Beginn des Betriebszyklus des Kühlturms zugeführt und während des Turmbetriebs verbraucht. Im ersten Teil der Fallstudie haben wir die Signale eines Standard-Redox-Sensors und des offenen amperometrischen Sensors während des normalen Betriebs des Turms gemessen. Wir führten Standard-DPD-Referenzmessungen durch, um zu zeigen, dass der offene amperometrische Sensor die Konzentration der halogenierten Biozide präzise gemessen hatte.

In der zweiten Phase der Studie wurde die Steuerung von einer Chemikaliendosierpumpe übernommen, die direkt vom Signal des offenen amperometrischen Sensors angesprochen wurde. Bei dieser reststoffbasierten Steuerung wird im Vergleich zur Zeitsteuerung weniger Biozid verbraucht, da Biozid nur dann zugegeben wird, wenn sich die vom Sensor ermittelte Konzentration dem unteren Grenzwert des Biozidprogramms nähert. Dies ermöglicht nicht nur eine bessere Prozesskontrolle und eine erhebliche Reduktion der Chemikalienkosten, sondern verhindert auch die Korrosion des Kühlturms durch hohe Biozidkonzentration. Somit beweisen wir mit dieser Fallstudie, die Durchführbarkeit und den Nutzen offener amperometrischer Sensoren zur Messung der stabilisierten Bromkonzentration in industriellen Kühltürmen.

Einführung - Industrielle Kühltürme

Seit dem 19. Jahrhundert werden Kühltürme zum Wärmeaustausch durch Verdunstung in Gebäuden und in industriellen Prozessen verwendet.¹ Zu den Anwendungen, bei denen Kühltürme zur Regelung der Abwärmeerzeugung eingesetzt werden, gehören die thermoelektrische Stromerzeugung, Erdölraffinerien, Erdgasverarbeitungsanlagen, Lebensmittelverarbeitungsanlagen und viele andere industrielle Prozesse.²

Kühltürme funktionieren durch den Austausch von Wärme zwischen heißer Luft und Wasser mit Raumtemperatur. Kommt das kühle Wasser mit der heißen Luft in Berührung, findet eine Wärmeübertrag statt und ein Teil des Wassers verdampft. Das verdunstete Wasser wird zu einem feinen Nebel, der oben aus dem Turm austritt und einen Teil der Wärme mitnimmt. Das nicht verdunstete Wasser, wird am Boden des Turms aufgefangen.³

Die Bedingungen unter welche Kühltürme arbeiten, dienen als ideales Umfeld für mikrobiologisches Wachstum. Ein Erreger, der hierbei besonders Anlass zur Besorgnis gibt, ist das Legionella-Bakterium, das bei Einatmung zur Legionärskrankheit führen kann. Die Kontrolle des Wachstums von Legionellen und anderen Krankheitserregern in Kühltürmen ist demnach ein bedeutendes gesundheitspolitisches Anliegen. Die diesbezüglichen Vorschriften stammen deshalb auch hauptsächlich vom Center for Disease Control (CDC).⁴

Nach Angaben des CDC lässt sich das Legionellenwachstum am besten durch die Installation eines automatischen Wasseraufbereitungssystems kontrollieren.⁴ Das führt dazu, dass Kühltürme meist mit chemischen Bioziden behandelt werden, die eventuell vorhandene Krankheitserreger abtöten. Hierfür werde meistens oxidierende chemische Biozide wie chlor- oder bromhaltige Reagenzien verwendet.  Zudem sollte während des Kühlturmbetriebs immer ein messbarer Rest an chemischen Bioziden vorhanden sein. Um diese Vorschriften einzuhalten, sollten die Rückstände chemischer Biozide kontinuierlich überwacht und aufgezeichnet werden.

Fazit

Wir haben herausgefunden, dass der offene amperometrische Sensor Zirkon® DIS Total von Kuntze in der Lage ist, einen stabilisierten Brom-Verbindungen in einem industriellen Kühlturm präzise zu messen und zu kontrollieren. Der Kühlturm wurde zuvor ein- bis zweimal pro Tag mit einer Zeitschaltuhr dosiert, was den Betreibern des Kühlturms nicht die Gewissheit gab, dass das mikrobiologische Wachstum kontrolliert wurde. Nach der Installation des Krypton® DIS-Systems zur Messung und Kontrolle der Biozidrückstände berichtete der Betreiber des Kühlturms, dass er sich mit seinem Wasseraufbereitungsprogramm viel sicherer fühle, da er sich darauf verlassen könne, dass im Kühlturm ein gleichbleibender Biozidrest vorhanden ist.
Die zukünftige Stoßrichtung dieser Studie besteht darin, den angestrebten Sollwert an Biozidrest zu senken. Dadurch wird die Menge an Biozid, die bei der Reinigung des Kühlturms freigesetzt wird verringert und damit Kosten für Chemikalien eingespart. Das Vertrauen, das die direkte Biozidkonzentration aus dem offenen amperometrischen Sensorsignal bietet, macht diese Optimierung erst  sichtbar und möglich.

Foto des Kuntze Zirkon® DIS Total Sensors.

Autoren

  • Andrew Barker, President, Kuntze Instruments US
  • Lacey Beck, MSc, Kuntze Instruments US
  • Pat Carew, Enerstar Inc., US

Verweise

(1) Race, J. Chlorination of Water; John Wiley and Sons, Inc., 1918.

(2) Centers for Disease Control and Prevention. Other Uses and Types of Water https://www.cdc.gov/healthywater/other/industrial/cooling_towers.html (accessed 2021 -06 -01).

(3) U.S. Geological Survey. National Handbook of Recommended Methods for Water Data Acquisition https://pubs.usgs.gov/chapter11/chapter11J.html (accessed 2021 – 05 -24).

(4) Centers for Disease Control and Prevention. Controlling Legionella in Cooling Towers https://www.cdc.gov/legionella/wmp/control-toolkit/cooling-towers.html (accessed 2021 -06 -01).

(5) National Research Council (US) Safe Drinking Water Committee. The Disinfection of Drinking Water; National Academies Press (US), 1980.

(6) Calomiris, J. J.; Christman, K. A. How Does Chlorine Added to Drinking Water Kill Bacteria and Other Harmful Organisms? Why Doesn’t It Harm Us? Sci. Am. 1998, 278 (5).

(7) Bajpai, P. The Control of Microbiological Problems. Pulp Pap. Ind. 2015, 103–195. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-803409-5.00008-2.

(8) Rinsler, M. G. Spectroscopy, Colorimetry, and Biological Chemistry in the Nineteenth Century. J. Clin. Pathol. 1981, 34 (3), 287–291. https://doi.org/10.1136/jcp.34.3.287.

(9) Bard, A. J.; Faulkner, L. R. Electrochemical Methods: Fundamentals and Applications, 2nd ed.; John Wiley and Sons, Inc., 2000.