DE102006058454B4

DE102006058454B4 - Verfahren zur elektrolytischen Herstellung einer schwachen Natriumhypochloritlösung mit differenzdruckgesteuerter pH- und Redoxregelung mittels Elektrolysemembranzellen aus Wasser (H2O) und Kochsalz (NaCl)

Info

Publication number: DE102006058454B4
Application number: DE200610058454
Authority: DE
Inventors: Auf Nichtnennung Antrag
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2006-12-12
Filing date: 2006-12-12
Publication date: 2012-01-26
Anticipated expiration: 2026-12-13
Also published as: DE102006058454A1

Abstract

Die nachfolgende Erfindung beschreibt ein einfaches und wirtschaftliches Verfahren der Natriumhypochloritherstellung in einer transportablen Vorrichtung unter Einsatz einer oder mehrerer Membranelektrolysezellen, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: – Kathodenraumseitiges Zuführen einer verdünnten Sole (NaCl-Lösung) in die Membranelektrolysezelle(n) unter konstantem Fließdruck, unterteilt mittels Membran in eine Anodenkammer mit Anode und eine Kathodenkammer mit Kathode. – Anodenraumseitiges Zuführen des kathodenseitig gewonnenen Gemischs von wässriger Natronlauge und Wasserstoffgas mit variablem Fließdruck. – Anlegen einer Gleichspannung zwischen Anode und Kathode zum Starten des Elektrolyseprozesses. – Regulierung des anodenseitigen Fließdruckes in Abhängigkeit des am Anodenausgang gemessenen pH-Wertes bzw. Redoxpotentials. – Sammeln des anodenseitigen Auslasses (schwache Natriumhypochloritlösung) in einen Auffangbehälter. Außerdem betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Verwendung mehrerer Elektrolysemembranzellen. Somit können mit einer einfachen modularen Bauweise unterschiedlichste Mengenleistungen an produzierter schwacher Natriumhypochloritlösung realisiert werden. Dies ermöglicht eine genaue Anpassung an die im jeweiligen Anwendungsfall vorliegenden Verhältnisse. Desinfektionsmittel auf der Basis von Chlor, wie z. B. Natriumhypochlorit, sind für Trinkwasser und Schwimmbäder, aber auch für andere Einsatzbereiche wegen Ihrer Langzeitwirkung unverzichtbar. Jedoch sind beim Einsatz handelsüblicher Natriumhypochloritlösungen, auch wenn sie vor-Ort produziert werden, folgende Nachteile zu bemerken: – Nur kurze Stabilitätszeit – Hohe Chloratkonzentration (ClO3), die sich im Laufe der Lagerungszeit durch Zerfall der Hypochloritionen noch erhöht – Unerwünschte Nebenprodukte bei der Anwendung – Kosten gegenüber elementarem Chlor sehr hoch – Chloratgehalt auch bei der just-in-time-Produktion relativ hoch – Viele unerwünschte Nebenprodukte bei der Anwendung – Noch immer sehr viele Sicherheitsvorkehrungen beim Umgang sind zu treffen, da nach wie vor ein klassischer Gefahrstoff – Gefahr vom Austritt grosser Mengen an Chlorgas Die Erfindung stellt ein Verfahren bereit, bei dem die Vorteile der bisherigen Verfahren beibehalten oder verstärkt werden und die Nachteile mit sämtlichen Gefahren weitestgehend unterbunden werden.

Description

Es ist bekannt, dass mittels einer Sole aus Wasser (H₂O) und Kochsalz (NaCl) und einer Elektrolysezelle, mit oder ohne Membran, eine Natriumhypochloritlösung erzeugt werden kann, die eine desinfizierende Wirkung durch den Bestandteil der unterchlorigen Säure (HOCl) besitzt.
Es sind bereits mehrere Verfahren bekannt, die Hypochloritlösungen durch Elektrolyse von Salzsole oder Meerwasser erzeugen.
Derartige Verfahren sind in der Offenlegungsschrift mit der Aktennummer DE 10 2005 004 063 A1 der Fa. Kärcher GmbH, Winnenden, sowie in der Auslegungsschrift DE 1 286 514 A der Fa. Solvay, Brüssel, nachzulesen.
Weiterhin ist bekannt, dass unabhängig des Bestandteils der unterchlorigen Säure, die erzeugte Natriumhypochloritlösung einen pH-Wert von ca. 10–11 und ein Redoxpotential von ca. 650 mV aufweist. Mittels Zuführung der erzeugten Natriumhypochloritlösung in Wasser wird der Desinfektionswirkstoff unterchlorige Säure (HOCl) gebildet. Man geht davon aus, dass durch das Zufügen einer geeigneten Menge an Natriumhypochlorit eine entsprechend ausreichende Menge an unterchloriger Säure (HOCl) gebildet wird, welche dann einerseits Keime und belastende Mikroorganismen im stehenden Wasser beseitigt, andererseits aber auch eine desinfizierende Wirkung der z. B. nachfolgenden Rohrleitungskomponenten eines Wasserverteilungsnetzes während des Durchflusses erzielt wird.
Nachteil dieses Verfahrens ist, dass bei der Desinfektion von Gewässern eine unbekannte Anzahl an zusätzlich gelösten Stoffen ständig entsteht. Insbesondere die Bildung von Nitrit für die weitere Verwendung des Wassers als Lebensmittel ist bedenklich. Weiterhin ist bei einer kontinuierlichen Anwendung zum Schutz vor Verkeimungen in nachgeschalteten Baugruppen eine ständig hohe Konzentration von Natriumhypochlorit notwendig, die wiederum eine materialspezifische Korrosionsgefahr nach sich zieht.
Um nun Wasser mit den zugehörigen Rohrleitungs- und Verteilungssystemen und deren Komponenten wie z. B. Wärmetauscher, Ventile, Armaturen, usw., effektiv vor Verkeimung oder mikrobiologischer Belastung sicher zu schützen, ist es das Ziel, eine in ihrer Desinfektionskraft mindestens gleichwertige, jedoch in ihrer Anwendung keine oder nur äußerst geringe Mengen an zusätzlich gelösten Stoffen erzeugende Natriumhypochloritlösung herzustellen.
Die nachfolgende Erfindung beschreibt ein einfaches und wirtschaftliches Verfahren der Natriumhypochloritherstellung in einer transportablen Vorrichtung unter Einsatz einer oder mehrerer Membranelektrolysezellen, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:

– Kathodenraumseitiges Zuführen einer verdünnten Sole (NaCl-Lösung) in die Membranelektrolysezelle(n) unter konstantem Fließdruck, unterteilt mittels Membran in eine Anodenkammer mit Anode und eine Kathodenkammer mit Kathode.
– Anodenraumseitiges Zuführen des kathodenseitig gewonnenen Gemischs von wässriger Natronlauge und Wasserstoffgas mit variablem Fließdruck.
– Anlegen einer Gleichspannung zwischen Anode und Kathode zum Starten des Elektrolyseprozesses.
– Regulierung des anodenseitigen Fließdruckes in Abhängigkeit des am Anodenausgang gemessenen pH-Wertes bzw. Redoxpotentials.
– Sammeln des anodenseitigen Auslasses (schwache Natriumhypochloritlösung) in einen Auffangbehälter.

Außerdem betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Verwendung mehrerer Elektrolysemembranzellen. Somit können mit einer einfachen modularen Bauweise unterschiedlichste Mengenleistungen an produzierter schwacher Natriumhypochloritlösung realisiert werden. Dies ermöglicht eine genaue Anpassung an die im jeweiligen Anwendungsfall vorliegenden Verhältnisse.
Desinfektionsmittel auf der Basis von Chlor für Trinkwasser und Schwimmbäder sind wegen Ihrer Langzeitwirkung insbesondere für die Desinfektion von Badewasser unverzichtbar. Die Anwendung und der Transport sowie die Lagerung von elementarem Chlor (z. B. Chlorgas) sind mit sehr großen Risiken behaftet. Der Einsatz von elementarem Chlor kann im Wasser zur unerwünschten Bildung toxischer chlorierter Verbindungen aus organischen Verunreinigungen führen. Außerdem senkt Chlor aufgrund der Salzsäurebildung den pH-Wert des Badewassers ab.
Alternativ zum elementaren Chlor hat sich Natriumhypochlorit als Lösung dargestellt. Der Einsatz von Natriumhypochloritlösung hat gegenüber elementarem Chlor folgende Vorteile:

– weniger gefährlicher Transport
– weniger gefährliche Handhabung
– weniger gefährliche Lagerung einfache Dosierbarkeit
– die beim Einsatz im Wasser gebildete unterchlorige Säure ist weniger chlorierend und ist ein starkes Oxidationsmittel

Jedoch sind beim Einsatz handelsüblicher Natriumhypochloritlösungen auch folgende Nachteile zu bemerken:

– Nur kurze Stabilitätszeit
– Hohe Chloratkonzentration (ClO₃), die sich im Laufe der Lagerungszeit durch Zerfall der Hypochloritionen noch erhöht
– Unerwünschte Nebenprodukte bei der Anwendung
– Kosten gegenüber elementarem Chlor sehr hoch

Aus den genannten Gründen bietet es sich an mittels geeigneter transportabler Elektrolyseanlagen die Natriumhypochloritlösung vor Ort zu produzieren. Dieses Verfahren wird seit Jahren am Markt eingesetzt.
Folgende Nachteile handelsüblichen Natriumhypochlorits werden somit zum Teil kompensiert:

– Keine Transportrisiken
– Keine Lagerungsrisiken
– Stabilitätszeit ist nicht mehr relevant, da direkt just in time produziert wird
– Stark erhöhte Chloratbildung durch Zerfall wird ausgeschlossen
– Kosten der Produktion vor Ort sind wesentlich geringer und somit den Kosten von elementarem Chlor gleichzusetzen

Jedoch bestehen weiterhin folgende Nachteile:

– Chloratgehalt auch bei der just-in-time-Produktion relativ hoch
– Viele unerwünschte Nebenprodukte bei der Anwendung
– Noch immer sehr viele Sicherheitsvorkehrungen beim Umgang sind zu treffen, da nach wie vor ein klassischer Gefahrstoff
– Gefahr vom Austritt grosser Mengen an Chlorgas

Die Aufgabe der Erfindung ist es daher ein Verfahren bereitzustellen, bei dem die Vorteile der bisherigen Verfahren beibehalten oder verstärkt werden und die Nachteile mit sämtlichen Gefahren weitestgehend unterbunden werden.
Das Endprodukt der Erfindung (schwache Natriumhypochloritlösung) zeichnet sich durch folgende Vorteile gegenüber den bisherigen Verfahren aus:

– quasi keinerlei unerwünschten Nebenprodukte bei der Anwendung im Wasser
– Chloratgehalt unterhalb der Nachweisgrenze
– Keine Salzsäurebildung nach der Anwendung im Wasser
– Keine Gefahr durch Chlorgas
– Keine Korrosivität bei der Anwendung im Wasser Keine pH-Wert-Absenkung des Wassers
– Endprodukt (schwache Natriumhypochloritlösung) ist pH-neutral (pH-Wert 6,5–7,5)
– Nicht zytotoxisch
– Nicht ätzend
– Kein Gefahrstoff im Sinne der Gefahrstoffkennung
– Keimreduktionsleistung um ein vielfaches höher als bei den bisher bekannten Verfahren der Membranelektrolyse
– Sehr niedrige Betriebskosten
– Keine Sicherheitsvorkehrungen beim Umgang mit der produzierten schwachen Natriumhypochloritlösung

Die 1 zeigt die Vorrichtung im Gesamten als Frontansicht.
Bezugszeichenliste

1: Auffangbehälter der produzierten Endlösung (schwache Natriumhypochloritlösung)
2: Vorratsbehälter für das für den Elektrolyseprozess notwendige Kochsatz (Reinheitssalz)
3: Vorratsbehälter für Reiniger zum turnusmäßigen, vollautomatischen Reinigen der Membranelektrolysezellen
4: Versorgungswasseranschluss
5: Gehäuseteil mit sämtlichen für den Produktionsprozess relevanten mechanischen Bauteilen (siehe Detailbeschreibung B))
6: Gehäuseteil mit den für den Produktionsprozess relevanten elektrischen und elektronischen Bauteilen (Steuerung)
7: Elektronisches Bedienfeld der Systemsteuerung

Die 2 zeigt die Vorrichtung im Gesamten als Seitenansicht
Bezugszeichenliste

1: Auffangbehälter der produzierten Endlösung (schwache Natriumhypochloritlösung) und Vorratsbehälter für das für den Elektrolyseprozess notwendige Kochsalz (Reinheitssalz)
2: Vorratsbehälter für Reiniger zum turnusmäßigen, vollautomatischen Reinigen der Membranelektrolysezellen
3: Gehäuseteil mit sämtlichen für den Produktionsprozess relevanten mechanischen und elektrischen sowie elektronischen Bauteilen
4: Versorgungswasseranschluss
5: Montageplatte im Gehäuseteil der mechanischen Bauteile
6: Sichtschutzabdeckung für Verbindungsleitungen zwischen Produktionsgehäuse und Vorratsgehäuse

Die 3 zeigt die verfahrensrelevanten Bauteile
Bezugszeichenliste

1: Membranelektrolysezelle
2: Kathodenkammer
3: Anodenkammer
4: Fließdruckregulierung
5: Fließdrucküberwachung
6: Fließdruckregelventil
7: Fliessdruckregelventil
8: pH- und Redoxmessung
9: Natriumhypochloritlösung
10: Wasserversorung
11: Solebeimischung
12: Montageplatte im Gehäuse der mechanischen Bauteile

Öffnet man nach dem Einschalten der in der Vorrichtung integrierten elektronischen Systemsteuerung die Wasserversorgung (10), startet die Solebeimischung (11) und erzeugt ein bestimmtes Wasser-Sole-Gemisch, mit dem dann die Kathodenkammer (2) der Membranelektrolysezelle (1) mit einem voreingestellten und konstanten Fließdruck durchflossen wird. Der konstante Fließdruck wird manuell nach dem Öffnen der Wasserversorgung (10) an der kathodenseitigen Fließdruckregulierung (5) eingestellt. Dieser Fließdruck bleibt über die gesamte Betriebsdauer konstant. Das Wasser-Sole-Gemisch durchfließt nun die Kathodenkammer (2). Das in der Kathodenkammer (2) erzeugte Gemisch aus wässriger Natronlauge und Wasserstoffgas durchfließt nun das Fließdruckregelventil (7), die anodenseitige Fließdrucküberwachung (6) und wird in die Anodenkammer (3) der Membranelektrolysezelle (1) geführt. Nach dem Durchströmen der Anodenkammer (3) ist bereits das Endprodukt, eine schwache Natriumhypochloritlösung, durch Elektrolyse erzeugt. Nach dem Verlassen der Anodenkammer (3) durchfließt die schwache Natriumhypochloritlösung die pH- bzw. Redoxmesseinheit (8). In Abhängigkeit des gemessenen pH- bzw. Redoxwertes wird nun über das Fließdruckregelventil (7) der anodenseitige Fließdruck geregelt. Durch die Regulierung des Differenzdruckes zwischen Anodenkammer (3) und Kathodenkammer (2) kann nun der pH-Wert sowie das Redoxpotential der schwachen Natriumhypochloritlösung variabel gestaltet und den jeweiligen Bedürfnissen angepasst werden.

Claims

Verfahren zur elektrolytischen Herstellung einer schwachen Natriumhypochloritlösung mit differenzdruckgesteuerter pH- und Redoxregelung aus Wasser und Kochsalz, wobei das Verfahren die Schritte umfasst, dass – einer oder mehreren Elektrolysezellen, die durch Unterteilung mittels Membran einen Kathodenraum mit einer Kathode und einen Anodenraum mit einer Anode aufweist, kathodenraumseitig ein Gemisch aus Wasser einer gesättigten Sole aus Wasser und Kochsalz unter einem konstanten Fließdruck zugeführt wird, – durch Elektrolyse kathodenraumseitig ein Gemisch aus wässriger Natronlauge und Wasserstoffgas hergestellt wird, – das kathodenraumseitig gewonnene Gemisch aus wässriger Natronlauge und Wasserstoffgas einem Ventil zugeführt wird, welches den vorhandenen Fliessdruck regelt, bevor das Gemisch aus wässriger Natronlauge und Wasserstoffgas der Anodenkammer zugeführt wird, – das Gemisch aus wässriger Natronlauge und Wasserstoffgas mit geregeltem Fließdruck der Membranelektrolysezelle anodenraumseitig zugeführt wird, – am anodenraumseitigen Auslass eine schwache Natriumhypochloritlösung entnommen wird, wobei die anodenseitig entnommene schwache Natriumhypochloritlösung eine pH- und Redox-Messeinheit durchfließt deren Messwerte zur Differenzdruckregelung herangezogen werden.
Verfahren nach Anspruch 1), wobei die anodenseitig entnommene schwache Natriumhypochloritlösung ohne jegliche Zusatzstoffe exakt auf einen gewünschten pH-Wert zwischen 3 und 9 eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1), wobei die anodenseitig entnommene schwache Natriumhypochloritlösung exakt auf ein gewünschtes Redoxpotential zwischen 700 und 1200 mV eingestellt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die kathodenraumseitige Zufuhr von Wasser-Sole-Gemisch in Abhängigkeit des Stromflusses durch die Membranelektrolysezelle erfolgt.