DE19540469B4

DE19540469B4 - Vorrichtung und Verfahren zur Erzeugung von elektrolytisch ionisiertem Wasser

Info

Publication number: DE19540469B4
Application number: DE19540469A
Authority: DE
Inventors: Hidemitsu Aoki; Koji Toda Yamanaka; Takashi Imaoka; Takashi Futatsuki; Yukinari Yamashita
Original assignee: NEC Electronics Corp; Organo Corp
Current assignee: NEC Electronics Corp; Organo Corp
Priority date: 1994-10-28
Filing date: 1995-10-30
Publication date: 2007-04-26
Anticipated expiration: 2015-10-31
Also published as: DE19540469A1; CN1053166C; KR100223694B1; GB9522012D0; KR960014414A; SG38884A1; TW386068B; GB2294473B; CN1129746A; JP3181796B2; JPH08127887A; US5616221A; GB2294473A

Abstract

Vorrichtung zur elektrolytischen Aufbereitung von Wasser (elektrolytisch ionisiertes Wasser; EIW) mit
– mindestens einer Anode (4) und mindestens einer Kathode (5);
– einem Elektrolysator (1) mit
– einer Anodenkammer (6), die eine Anode (4) umgibt,
– einer Kathodenkammer (8), die eine Kathode (5) umgibt;
– einer Zwischenkammer (7), die durch Diaphragmen (2, 3) von der Anodenkammer (6) und der Kathodenkammer (8) getrennt und dazwischen angeordnet ist;
– Einlassleitungen (9, 10, 11) zur Einführung von Zulauf-Wasser in die Anoden- (6), Kathoden- (8) und Zwischenkammer (7);
– Auslassleitungen (14, 15, 16) zum Austragen von Ablauf-Wasser aus den jeweiligen Kammern;
– eine oder mehrere Elektrolyt-Zugabeeinheit/en (12, 13), die an die Auslassleitung/en der Anoden- und/oder Kathodenkammer angeschlossen ist/sind,
– wobei die Elektrolyt-Zugabeeinheit/en (12, 13) zur Steuerung mindestens der Dosiermenge des/der zuzuführenden Elektrolyte, der Zusammensetzung, der Konzentration des/der Elektrolyten oder des pH-Wertes des Ablauf-Wassers nach der...

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Erzeugung von elektrolytisch ionisiertem Wasser (nachstehend als EIW bezeichnet), das verwendbar ist zum Sterilisieren, zur Durchführung einer Antioxidationsbehandlung von Metalloberflächen und zum Waschen und Entfernen verschiedener Verunreinigungen, die an Oberflächen von festen Substraten (Gegenständen) und dgl. haften.

Unter dem hier verwendeten Ausdruck "Anode" ist eine Elektrode zu verstehen, an die in einem Elektrolysator, in dem eine Elektrolyse durchgeführt wird, durch Fließenlassen eines Gleichstroms in Wasser oder in eine wäßrige Lösung, eine positive Spannung angelegt wird.

Unter dem hier verwendeten Ausdruck "Kathode" ist eine Elektrode zu verstehen, an die eine negative Spannung angelegt wird.

Während der Elektrolyse wird eine um die Anode herum vorhandene wäßrige Lösung als "Anodenkammer-EIW" bezeichnet, während eine um die Kathode herum angeordnete wäßrige Lösung als "Kathodenkammer-EIW" bezeichnet wird.

An die Anode werden positive Ladungen angelegt, während an die Kathode negative Ladungen angelegt werden. Die Anode funktioniert insbesondere in der Weise, daß Elektronen aus dem Anodenkammer-EIW abgezogen werden, während die Kathode in der Weise funktioniert, daß Elektronen dem Kathodenkammer-EIW zugeführt werden.

Das Wasser oder die wäßrigen Lösungen, die bei der Elektrolyse erhalten werden, werden allgemein als "elektrolytisch ionisiertes Wasser (EIN)" bezeichnet. Außerdem ist unter dem Ausdruck "Elektrolyse" einfach das Anlegen einer Gleichspannung an Wasser oder eine wäßrige Lösung zu verstehen, sie ist jedoch nicht notwendigerweise beschränkt auf ein solches Verfahren, bei dem ein Gleichstrom nach dem Anlegen der Gleichspannung fließt, um elektrolytische Reaktionen hervorzurufen, wodurch das Wasser oder die wäßrige Lösung zu Sauerstoff und Wasserstoff zersetzt wird. Wenn eine Anodenkammer und eine Kathodenkammer in einem Elektrolysator durch ein Diaphragma aus einem synthetischen Polymer (z.B. aus Polyethylen, Polypropylen, Polyester, Polystyrol, Fluorharz und dgl.) oder einer anorganischen Substanz wie Keramiken voneinander getrennt sind, ist die Anode in der Anodenkammer untergebracht, während die Kathode in der Kathodenkammer untergebracht ist.

Allgemein ist das Anodenkammer-Wasser oxidierend und hat ein hohes Oxidations-Reduktions-Potential, während das Kathodenkammer-Wasser reduzierend ist und ein niedriges Oxidations-Reduktions-Potential aufweist. Zusätzlich zu den Oxidations- und Reduktions-Eigenschaften der Kammer-EIW hat dann, wenn ein Zulauf-Wasser zu einem Elektrolysator Elektrolyten enthält, das Anodenkammer-EIW einen sauren pH-Wert, während das Kathodenkammer-EIW einen alkalischen pH-Wert hat. Der Grund dafür, warum das Anodenkammer-EIW oxidierend ist, ist der, daß oxidierende Produkte an der Oberfläche der Anode vorhanden sind, die umfassen Sauerstoff und Ozon, die auf der Anodenoberfläche gebildet worden sind, und andere oxidierende Substanzen, die durch Oxidation auf den Oberflächen der Anode gebildet worden sind. Andererseits ist der Grund dafür, warum das Kathodenkammer-EIW reduzierend ist, der, daß reduzierende Produkte auf der Oberfläche der Kathode vorliegen, die umfassen Wasserstoff, der auf den Kathodenoberflächen gebildet wird, und andere reduzierende Substanzen, die durch Reduktion auf den Oberflächen der Kathode gebildet worden sind.

Das durch die Elektrolyse gebildete Anodenkammer-EIW hat stark sterilisierende Eigenschaften wegen seiner oxidierenden Natur und es wird in großem Umfange als Sterilisierungswasser in Hospitälern, Zahnkliniken, Restaurants, Lebensmittelverarbeitungsindustrien und dgl. verwendet. Es ist bekannt, daß das Kathodenkammer-EIW wirksam ist in bezug auf die Verhinderung der Oxidation von Metalloberflächen durch den Sauerstoff in der Atmosphäre in der Metallteile-Herstellungsindustrie und dgl. Außerdem ist bekannt, daß das obengenannte Anoden- und Kathoden-EIW auf wirksame Weise verwendet werden können zum Abwaschen verschiedener Verunreinigungen, die an den Oberflächen von festen Substraten (Gegenständen) haften.

Verschiedene Verunreinigungen wie Metalle, Teilchen, Öl und dgl. auf den festen Substraten (Gegenständen) können wirksam abgewaschen werden durch Verwendung von Reinigungslösungen, deren Oxidations-Reduktions-Potential und deren pH-Wert auf die Oberflächen-Bedingungen der zu reinigenden Substrate (Gegenstände) eingestellt werden. So ist beispielsweise ein saures und oxidierendes Reinigungsmittel wirksam bei der Ionisierung, Auflösung und Entfernung von metallischen Verunreinigungen von einem festen Substrat (Gegenstand). Außerdem können organische Verunreinigungen wie Öl wirksam oxidiert, zersetzt und entfernt werden durch Verwendung von oxidierenden Reinigungslösungen.

Die meisten teilchenförmigen Substanzen sind in der Regel in einer Ladung entgegengesetzt zur Ladung der Oberfläche eines festen Substrats (Gegenstandes) aufgeladen und sie werden elektrostatisch davon angezogen. Eine alkalische und reduzierende Reinigungslösung kann häufig die elektro statische Anziehung der Teilchen an dem festen Substrat (Gegenstand) verringern, sie darin suspendieren und zum Aufschwimmen bringen und sie von der Oberfläche des festen Substrats (Gegenstandes) entfernen.

Die 2 und 3 der beiliegenden Zeichnungen zeigen Beispiele für EIW erzeugende Vorrichtungen des Standes der Technik. Insbesondere umfaßt die Vorrichtung gemäß 2 einen Elektrolysator 101 mit zwei Elektrolysekammern, während die Vorrichtung gemäß 3 einen Elektrolysator 201 mit drei Elektrolysekammern umfaßt.

In der 2 weist der Elektrolysator 101 eine Anodenkammer 106 und eine Kathodenkammer 108 auf, die durch ein Diaphragma 102 voneinander getrennt sind. Die Anodenkammer 106 umgibt eine Anode 104, während die Kathodenkammer 108 eine Kathode 105 umgibt. In jede dieser Kammern 106 und 108 fließt durch eine Einlaßleitung 109 Zulauf-Wasser. Das Wasser, das in diesen Kammern 106 und 108 elektrolysiert worden ist, strömen jeweils über die Auslaßleitungen 114 und 116 daraus heraus. Über Energiezuführungsleitungen 118 und 119 wird eine Gleichspannung an die Anode 104 bzw. an die Kathode 105 angelegt.

Der Elektrolysator 201 in 3 weist eine Anodenkammer 206, eine Zwischenkammer 207 und eine Kathodenkammer 208 auf. Die Zwischenkammer 207 ist sandwichartig zwischen der Anodenkammer 206 und der Kathodenkammer 208 angeordnet und durch Diaphragmen 202 und 203 von diesen Kammern getrennt. Das Zulauf-Wasser, beispielsweise Leitungswasser, entionisiertes Wasser oder dgl., wird über eine Einlaßleitung 209 diesen Kammern 206, 207 und 208 zugeführt. Aus diesen Kammern fließen drei Arten von EIW über die Auslaßleitungen 214, 215 und 216 aus. Die Bezugsziffern 218 und 219 bezeichnen Energiezuführungsleitungen zum Anlegen einer Gleichspannung an die Anode 204 bzw. die Kathode 205.

Die in den 2 und 3 dargestellten konventionellen Vorrichtungen haben die folgenden Nachteile, wenn sie zur Erzeugung von EIW verwendet werden, das zur Verhinderung einer Oxidation von Metalloberflächen, zur Reinigung von festen Substraten (Formkörpern), die verschiedene Verunreinigungen darauf tragen, und dgl. verwendet wird.

So sind beispielsweise in dem Elektrolysator gemäß 2 die Anodenkammer 106 und die Kathodenkammer 108 einfach durch ein Diaphragma 102 aus z.B. einer porösen Polymermembran voneinander getrennt. Auf diese Weise können ein Teil der oxidierenden Substanzen, die auf der Anode gebildet werden, und ein Teil der reduzierenden Substanzen, die auf der Kathode gebildet werden, durch das Diaphragma 102 hindurch unvermeidlich in die angrenzenden Kammern 108 und 106 wandern. Auf diese Weise kann ein Teil der wertvollen (nützlichen) oxidierenden Materialien oder reduzierenden Materialien verschwinden als Folge der Oxidations-Reduktions-Reaktion der oxidierenden und reduzierenden Substanzen. Dies bedeutet einen verminderten Wirkungsgrad der Bildung des EIW. Außerdem ist es schwierig, die Eigenschaften des EIW, beispielsweise einen breiten Bereich der Oxidations-Reduktions-Potentiale, der pH-Werte und dgl., selektiv festzulegen.

Dagegen kann in einem Elektrolysator vom Drei-Kammer-Typ der obengenannte Nachteil überwinden werden, d.h. es kann verhindert werden, daß ein Teil der wertvollen (nützlichen) oxidierenden Substanzen oder ein Teil der reduzierenden Substanzen in die angrenzende Kammer wandert wegen der Anwesenheit der Zwischenkammer, welcher das Zulauf-Wasser zugeführt wird. Aber auch mit dieser Vorrichtung ist es schwierig, die Eigenschaften des EIW, beispielsweise einen breiten Bereich der Oxidations-Reduktions-Potentiale, der pH-Werte und dgl., selektiv festzulegen. Wenn beispielsweise entionisiertes Wasser elektrolysiert wird, weisen das resultierende Anodenkammer-Wasser und Kathodenkammer-Wasser Oxidation-Reduktions-Potentiale und pH-Werte in sehr begrenzten Bereichen auf. Außerdem ist es dann, wenn entionisiertes Wasser verwendet wird, das mit einem Elektrolyten versetzt worden ist, sehr schwierig, die Oxidations-Reduktions-Potentiale und die pH-Werte des Anodenkammer-Wassers und des Kathodenkammer-Wassers in dem gewünschten Maße selektiv und beliebig festzulegen.

Dieses Problem ist schwerwiegend, wenn das EIW zu Reinigungszwecken verwendet wird. Um die Reinigungswirkungen in einem industriellen Maßstab zu verbessern, müssen die Materialien, die Oberflächenbehandlung der zu reinigenden Substrate(Gegenstände) und die Art und der Zustand der an den Substraten(Gegenständen) haftenden Verunreinigungen geprüft werden, und die Eigenschaften der Waschlösungen müssen so gewählt werden, daß das Oxidations-Reduktions-Potential, der pH-Wert und dgl. für die zu reinigenden Substrate (Gegenstände) am besten geeignet sind. Außerdem sind die Verunreinigungen von festen Substraten (Gegenständen) in der Regel ein Gemisch von Metallen, teilchenförmigen Substanzen, Öl und dgl. In einem solchen Fall müßte eine Vielzahl von Reinigungslösungen nacheinander in Kombination verwendet werden, um die gewünschten Reinigungsergebnisse zu erzielen. Aus diesem Grunde ist es bevorzugt, daß die Eigenschaften, d.h. das Oxidations-Reduktions-Potential, der pH-Wert und dgl., des Anodenkammer-EIW und des Kathodenkammer-EIW unabhängig voneinander und selektiv auf die gewünschten Bereiche eingestellt werden können. Die obengenannte Elektrolysator-Vorrichtung vom Drei-Kammer-Typ kann diese Bedingung jedoch nicht erfüllen, d.h. es ist nicht möglich, die Eigenschaften des aus jeder Kammer austretenden Wassers voneinander unabhängig festzulegen, wenn die Betriebsbedingungen, beispielsweise die Menge der zuzuführenden Elektrolyte, und die Konzentration oder der pH-Wert des EIW nach der Einführung des zu elektrolysierten Zulauf-Wassers auf der Basis der ge wünschten Eigenschaften des Anodenkammer-EIW, das zum Reinigen verwendet werden soll, festgelegt werden, hängen die Eigenschaften des Kathodenkammer-EIW, das gleichzeitig mit dem Anodenkammer-EIW entsteht, unvermeidlich von den Betriebsbedingungen zur Herstellung des gewünschten Anodenkammer-EIW ab. Es ist daher sehr schwierig, die Eigenschaften des zum Reinigen verwendbaren Kathodenkammer-EIW unabhängig und selektiv festzulegen. Das gleiche gilt für den Fall, daß die Eigenschaften des Kathodenkammer-Wassers als Kriterium verwendet werden. Es ist daher praktisch unmöglich, das Anodenkammer-EIW und das Kathodenkammer-Wasser, das die gewünschten Eigenschaften hat, unter Verwendung der in den 2 und 3 dargestellten Vorrichtungen auf wirksame Weise zu erzeugen. Dies ist deshalb so, weil die Betriebsbedingungen zur Erzeugung des gewünschten Anodenkammer-EIW verschieden sind von denjenigen zur Erzeugung des gewünschten Kathodenkammer-Wassers. Das obengenannte Problem ist ein Hindernis für die Anwendung einer Vorrichtung zur Erzeugung von elektrolysiertem Wasser in industriellem Maßstab.

Außerdem treten weitere Probleme in bezug auf die in den 2 und 3 dargestellten Vorrichtungen zur Erzeugung von EIW auf. Ein Problem besteht insbesondere darin, daß die für die Reinigungslösung verwendeten Elektrolyten beseitigt(weggeworfen)werden müssen, und ein weiteres Problem besteht darin, daß Reinigungslösungen, die zur Gewährleistung hochreiner Substrate (Gegenstände) geeignet sind, schwierig herzustellen sind, wie nachstehend beschrieben.

Um gleichzeitig sowohl das saure und oxidierende Anodenkammer-EIW als auch das alkalische und reduzierende Kathodenkammer-EIW in einer Vorrichtung zu erzeugen, müssen als Zulauf-Wasser wäßrige Salzlösungen verwendet werden, die aus anderen Kationen als Wasserstoffionen und anderen Anionen als Hydroxidionen bestehen, um das Anodenkammer- Wasser und das Kathodenkammer-EIW sauer bzw. alkalisch zu machen durch Wandern der Elektrolyt-Ionen in die Elektrolysekammern. Wenn jedoch ein solches Zulauf-Wasser verwendet wird, würde unvermeidlich eine verhältnismäßig große Menge von anderen Kationen als Wasserstoffionen, die in dem Zulauf-Wasser enthalten sind, in dem gebildeten Anodenkammer-EIW verbleiben. In entsprechender Weise würde unvermeidlich eine verhältnismäßig große Menge von anderen Anionen als Hydroxidionen in dem Kathodenkammer-Wasser verbleiben. Um den pH-Wert des Anodenkammer-Wassers auf den angestrebten Wert einzustellen, sind andere Anionen als Hydroxidionen erforderlich, um die verbliebenen Kationen zu neutralisieren und den gewünschten pH-Wert zu erzielen. In dem Kathodenkammer-Wasser sind andere Kationen als Wasserstoffionen erforderlich, um die verbliebenen Anionen zu neutralisieren und den gewünschten pH-Wert zu erzielen. Dies bedeutet, daß eine beträchtliche Menge an Chemikalien erforderlich ist, um die überzähligen Ionen zu neutralisieren. Diese Chemikalien sind nicht vorteilhaft für die ursprünglichen Funktionen der EIW erzeugenden Vorrichtungen.

Im Falle von elektronischen Einrichtungen, die extrem sauber sein sollten, werden durch die Anwesenheit von Verunreinigungen in den Reinigungslösungen die Eigenschaften und die Leistung (Ausbeute) der elektronischen Einrichtungen stark beeinflußt. Die Reinigungslösungen sollten daher im wesentlichen frei von irgendwelchen Verunreinigungen sein. Wenn jedoch das Anodenkammer-EIW von Wasserstoffionen verschiedene restliche Kationen, die aus dem Zulauf-Wasser stammen, enthält oder wenn das Kathodenkammer-EIW von Hydroxidionen verschiedene restliche Anionen, die auf das Zulauf-Wasser zurückzuführen sind, enthält, werden diese restlichen Ionen zu Verunreinigungen und haben die Neigung, sich auf den Oberflächen der elektronischen Vorrichtung als feste Salze oder als Ionenkristalle abzuscheiden, wenn die elektronischen Einrichtungen ge trocknet werden. Durch die Abscheidung solcher fester Salze würden die Eigenschaften und die Leistung (Ausbeute) der elektronischen Einrichtungen in nachteiliger Weise beeinflußt werden.

Derzeit wird die Abscheidung der obengenannten Ionenkristalle auf elektronischen Einrichtungen vermieden durch Verwendung von Reinigungslösungen, in denen Alkali wie Ammoniak oder Säure wie Chlorwasserstoffsäure oder Schwefelsäure und Wasserstoffperoxid in bestimmten Verhältnissen miteinander gemischt sind. In diesem Fall werden die Reinigungslösungen mit hochreinem Wasser verdünnt.

Wenn EIW (d.h. Anodenkammer-EIW und Kathodenkammer-EIW) die durch die Vorrichtung gemäß 2 oder 3 in die ein Elektrolyt-Einlaufwasser eingeführt wird, erzeugt werden, zum Reinigen von elektronischen Einrichtungen anstelle der obengenannten Reinigungslösungen verwendet werden, ist es dennoch unmöglich, das Problem zu lösen, wonach die Abscheidung von ionischen Kristallen auf den getrockneten elektronischen Einrichtungen die Eigenschaften und Leistung (Ausbeute) der elektronischen Einrichtungen in nachteiliger und schwerwiegender Weise beeinflußt.

Selbst wenn man annimmt, daß alle obengenannten Probleme gelöst wären, ist es sehr schwierig, in einem kommerziellen Maßstab elektrolysiertes Wasser ohne Verunreinigungen herzustellen so lange Elektrolyt-Zulaufwasser für die Vorrichtung gemäß 2 oder 3 verwendet wird. Dies ist deshalb so, weil Verunreinigungen die Neigung haben, während der Herstellung der elektrolytische Lösung aus dem Zulauf zugemischt zu werden.

Wenn eine Elektrolyt-Wasser-Lösung als Zulauf-Wasser für die elektrolysiertes Wasser erzeugende Vorrichtung verwendet wird, muß der Zulauf im wesentlichen frei von Verunreinigungen sein. Zur Herstellung eines solchen Zu lauf-Wassers ist es zweckmäßig, hochreine Elektrolyten zu entionisiertem Wasser oder hochreinem Wasser zuzusetzen. Chemikalien (Elektrolyte), die für die Verwendung zur Reinigung von elektronischen Einrichtungen rein genug sind und in industriellem Maßstab verfügbar sind, sind hauptsächlich wäßrige Lösungen von Säuren und Basen. Um jedoch unter Verwendung der Vorrichtung gemäß 2 oder 3 gleichzeitig saures und oxidierendes Anodenkammer-EIW und alkalisches reduzierendes Kathodenkammer-Wasser zu erzeugen, sollten andere Kationen als Wasserstoffionen und andere Anionen als Hydroxidionen gleichzeitig in dem Zulauf-Wasser vorhanden sein. Daher müssen eine wäßrige Säurelösung und eine wäßrige Basenlösung in einem vorgegebenen Verhältnis miteinander gemischt werden. Dafür ist eine Anlage zum Mischen solcher Lösungen erforderlich. Dadurch wird nicht nur das Verfahren zur Erzeugung von EIW kompliziert, sondern es tritt auch das Problem auf, daß die Elektrolyt-Wasser-Lösung während des Mischverfahrens verunreinigt werden kann.

JP 05-339769 A betrifft eine Reinwasser-Elektrolysezelle, welche mit einer Zwischenkammer ausgestattet ist. Mit Hilfe dieser Elektrolysezelle kann eine für das Gebiet der Halbleiterherstellung verwendbare stark reduktive Flüssigkeit durch Elektrolysieren von reinem Wasser oder ultrareinem Wasser hergestellt werden.

JP 05-169063 A betrifft eine Apparatur zur Herstellung von alkalischem und saurem Wasser durch Elektrolyse, mit Hilfe derer die Wasserverschwendung von Wasser mit einem ungeeigneten pH-Wert durch Vorsehen von zwei Pufferbehältern T1 und T2 vermieden wird.

Zusammenfassung der Erfindung

Mit der vorliegenden Erfindung sollen die obengenannten Probleme gelöst werden, die auftreten in einem Elektrolysator vom Zwei- oder Drei-Kammer-Typ gemäß Stand der Technik.

Ein erstes Ziel der Erfindung besteht darin, eine neue Vorrichtung zur Erzeugung von EIW bereitzustellen, mit der das Verschwinden von wertvollen (nützlichen) oxidierenden oder reduzierenden Substanzen, die bei der Elektrolyse als Folge der Oxidations- oder Reduktionreaktionen in Elektrolysekammern erzeugt werden, verhindert werden kann und die so aufgebaut ist, daß das Oxidations-Reduktions-Potential, der pH-Wert und andere Eigenschaften mindestens des Anodenkammer-EIW oder des Kathodenkammer-EIW unabhängig und selektiv kontrolliert (gesteuert) werden können.

Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung zur Erzeugung von EIW bereitzustellen, die einen sauren und oxidierenden Anodenkammer-EIW und/oder einen alkalischen und reduzierenden Kathodenkammer-EIW erzeugen kann, ohne daß Chemikalien vergeudet werden.

Ein drittes Ziel der Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung zur Erzeugung von EIW für die Herstellung von Reinigungslösungen bereitzustellen, die auf Einrichtungen anwendbar sind, die sehr saubere Oberflächen erfordern, die frei von unnötigen Ionen sind und keine Kristalle entstehen lassen, die auf der Oberfläche der gereinigten und getrockneten Einrichtungen zurückbleiben könnten.

Ein viertes Ziel der Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung zur Erzeugung von elektrolysiertem Wasser zu schaffen, mit der die Probleme gelöst werden können, die auftreten, wenn eine wäßrige Lösung, die ein Gemisch aus hochreiner Säure und hochreiner Base enthält, als Zulauf-Wasser zugeführt wird, und die EIW erzeugen kann, ohne daß ein Verfahren zum Zumischen von hochreiner Säure und hochreiner Base zur Herstellung einer wäßrigen Lösung erforderlich ist zur Erzeugung von EIW, das in idealer Weise verwendet werden kann für die Durchführung einer Sterilisation und einer Antioxidationsbehandlung und zur Entfernung von Verunreinigungen, die auf den Oberflächen von festen Substraten (Gegenständen) haften.

Gemäß einem Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung einen neuen Elektrolysator, der dadurch gekennzeichnet ist, daß er die in Patentanspruch 1 definierten Merkmale aufweist, sowie die Verfahren gemäß Patentanspruch 4 und Patentanspruch 5.

Bei dem obengenannten Vorrichtungs-Aufbau können die Auslaßleitungen aus der Anodenkammer und/oder der Kathodenkammer in eine Vielzahl von Verzweigungen aufgeteilt werden, die jeweils mit Elektrolyt-Zugabe-Einheiten teilweise oder vollständig verbunden werden können. Dies ermöglicht die Erzeugung von EIW mit unterschiedlichen Eigenschaften.

In der Vorrichtung zur Erzeugung von EIW können ein Teil der auf der Oberfläche der Anode oxidierten Substanzen und ein Teil der auf der Oberfläche der Kathode reduzierten Substanzen durch die Diaphragmen hindurch in die Zwischenkammer wandern, sie werden jedoch durch deren Auslaßleitung zusammen mit dem Wasser, das über deren Einlaßleitung in die Zwischenkammer eingeführt worden ist, ausgetragen. Auf diese Weise kann verhindert werden, daß sowohl die oxidierten Substanzen als auch die reduzierten Substanzen in die entgegengesetzten Kammern wandern und durch die wechselseitige Oxidations-Reduktions-Reaktion neutralisiert werden.

Die Elektrolyt-Zugabe-Einheiten können unabhängig und selektiv mindestens die Menge der zuzugebenden Elektrolyte und die Zusammensetzung, die Konzentration oder den pH-Wert des EIW nach der Zugabe der Elektrolyte steuern (kontrollieren). Auf diese Weise können Eigenschaften, z.B. die Oxidations-Reduktions-Potentiale und der pH-Wert des Anodenkammer-EIW und des Kathodenkammer-EIW unabhängig und selektiv leicht festgelegt werden.

Die Elektrolysekammern können aus beliebigen Materialien hergestellt sein, die gegenüber dem zuzuführenden Zulauf-Wasser und gegenüber dem EIW, das durch die Vorrichtung zur Erzeugung von EIW gebildet wird, beständig sind. Die Elektrolysekammern können beispielsweise hergestellt sein aus organischen Materialien, wie Polyvinylchlorid (PVC), Polypropylen (PP) und Acrylharz, aus anorganischen Materialien, wie Keramiken und Glas, oder Metallen, deren Oberfläche mit Kautschuk verkleidet oder mit einem Beschichtungsmaterial beschichtet ist.

Die Diaphragmen können hergestellt sein aus Polymeren, wie Cellulose, Polyethylen, Polypropylen, Polyester, Polystyrol und Fluorharz, Filtern oder porösen Filmen, bestehend aus anorganischen Materialien wie Keramiken oder Ionenaustauschmembranen. Wenn zur Herstellung der Diaphramen Ionenaustauschmembranen verwendet werden, können sie wegen ihrer elektrischen Leitfähigkeit die elektrolytische Spannung verringern, wodurch der Energieverbrauch vermindert werden kann, wenn während der Elektrolyse ein konstanter elektrolytischer Strom aufrechterhalten wird. Ionenaustauschmembranen sind deshalb besonders bevorzugt, wenn die Elektrolytkonzentration des Zulauf-Wassers niedrig ist. Wenn entweder die Anode oder die Kathode in engem Kontakt mit der Ionenaustauschmembran angeordnet ist, kann ferner die elektrolytische Spannung weiter herabgesetzt und der Energieverbrauch vermindert werden. Wenn eine Kationenaustauschmembran als Diaphragma zwischen der Anodenkammer und der Zwischenkammer verwendet wird und wenn eine Anionenaustauschmembran als Diaphragma zwischen der Kathodenkammer und der Zwischenkammer verwendet wird, können diese Membranen aufgrund ihres Ionenausschlusses die Menge an oxidierten Substanzen und reduzierten Substanzen, die aus der Anodenkammer und der Kathodenkammer in die Zwischenkammer wandern, vermindern. Die Kationenaustauschmembran kann sein eine stark saure Kationenaustauschmembran, hergestellt aus Fluorharz, das mit funktionellen Gruppen, z.B. -SO₃ ^– modifiziert worden ist, eine stark saure Kationenaustauschmembran aus NAFION^® 117 (Handelsname für ein Produkt der Firma Du Pont Co., Ltd.) und NAFION^® 350 oder Styrol/Divinylbenzol-Copolymeren, die funktionelle -SO₃ ^–-Gruppen aufweisen, z.B. NEOSEPTA^® CMX (hergestellt von der Firma Tokuyama Soda, Co., Ltd.).

Die Anionenaustausch-Membranen können sein eine stark basische Anionenaustausch-Membran, hergestellt aus einem Fluorharz mit funktionellen Anionenaustausch-Gruppen, z.B. TOSFLEX^® IE-SA, TOSFLEX^® IE-DF, TOSFLEX^® IE-SF (hergestellt von der Firma Tasoh Corporation) oder Styrol-Divinylbenzol-Copolymeren mit funktionellen Anionenaustausch-Gruppen, wie Neosepta^® AMH (hergestellt von der Firma Tokuyama Soda Co., Ltd.).

Die Diaphragmen können aus beliebigen Materialien hergestellt sein, so lange sie Ionen zwischen den Kammern auf ihren beiden Seiten übertragen (transportieren) können. Außerdem müssen die Diaphragmen selbst nicht immer die Form einer Membran haben, sondern können eine beliebige Form (Gestalt) haben, so lange sie eine direkte Vermischung der Wasser in den Kathoden- und Anoden-Kammern verhindern können.

Die Anode und die Kathode können aus einem Metall, einer Legierung, einem Metalloxid, Metallsubstraten, die mit Metall, einer Legierung oder einem Metalloxid plattiert oder beschichtet sind, oder elektrisch leitenden Materialien, z.B. gesintertem Kohlenstoff, hergestellt sein. Diese Elektroden können in Form einer Platte, einer Lochplatte (perforierten Platte) eines Gitters und dgl. vorliegen. Insbesondere sollte die Anode vorzugsweise aus Materialien hergestellt sein, die gegenüber Säure beständig sind und nicht leicht oxidiert werden. Bevorzugt sind Pt, Pd, Ir, ß-PbO₂ und NiFe₂O₄. Die Kathode sollte aus Materialien hergestellt sein, die gegenüber Alkali beständig sind. Bevorzugt sind Pt, Pd, Au, Stahl, Kohlenstoff-Stahl, Ag, Cu, Graphit und glasartiger Kohlenstoff.

Als Elektrolyte, die der (den) mit der Anodenkammer und/oder der Kathodenkammer verbundenen Auslaßleitung(en) zugesetzt werden soll(en), können verschiedene Säuren, Basen, Salze oder Gemische dieser Materialien in einem ge eigneten Verhältnis ausgewählt werden. Im allgemeinen hat der Elektrolyt eine Konzentration von 0,001 mg bis 100 g pro 1, vorzugsweise von 0,01 mg bis 10 g pro Liter. Die Säuren können anorganische Säuren, wie Chlorwasserstoffsäure, Schwefelsäure, Kohlensäure und Salpetersäure, oder organische Säuren, wie Essigsäure, Citronensäure und Oxalsäure, sein. Die Basen können sein Ammoniak und Aminbasen. Außerdem kann ein Teil des Elektrolyten durch die Elektrolysereaktion in ein wertvolleres Material umgewandelt werden. Wenn beispielsweise ein Elektrolyt ein Halogenid enthält, wird er der Auslaßleitung aus der Anodenkammer zugesetzt und in der Anodenkammer wird eine Halogensäure gebildet.

Außerdem kann der Elektrolyt bestehen aus Salzen, die eine pH-Pufferfunktion haben, wie Ammoniumsalz, Carbonat und Oxalat oder Gemische dieser Salze mit Säure oder Base. Dann beeinflussen die Elektrolysebedingungen, beispielsweise der elektrolytische Strom, den pH-Wert der elektrolysierten Lösung nicht in nachteiliger Weise. Deshalb können die Eigenschaften des Anodenkammer-EIW und des Kathodenkammer-EIW leicht unabhängig voneinander festgelegt (bestimmt) werden.

Wie vorstehend beschrieben, werden die Elektrolyte einer oder beiden Auslaßleitungen aus der Anodenkammer und der Kathodenkammer zugesetzt. Wenn beispielsweise ein EIW zur Sterilisierung verwendet wird, ist im allgemeinen ein saures und oxidierendes Anodenkammer-EIW erforderlich. Die Elektrolyt-Zugabeeinheit ist dann nur mit der Auslaßleitung aus der Anodenkammer verbunden, während keine Elektrolyt-Zugabeeinheit mit der Auslaßleitung aus der Kathodenkammer verbunden ist. Wenn andererseits das EIW zur Verhinderung der Oxidation von Metalloberflächen verwendet wird, ist die Elektrolyt-Zugabeeinheit nur mit der Auslaßleitung aus der Kathodenkammer verbunden, so daß ein alkalisches und reduzierendes Kathodenkammer-EIW erzeugt wird, und mit der Auslaßleitung der Anodenkammer ist keine derartige Einheit verbunden. In diesen Fällen ist es möglich, die Anzahl der Elektrolyt-Zugabeeinheiten zu verringern, wodurch der Aufbau der EIW erzeugenden Vorrichtung vereinfacht wird.

Die Elektrolyt-Zugabeeinheiten können mit den Auslaßleitungen der Anodenkammer und der Kathodenkammer verbunden sein oder eine Elektrolyt-Aufgabeeinheit kann mit der Auslaßleitung entweder der Anodenkammer oder der Kathodenkammer, wie vorstehend beschrieben, verbunden sein. In jedem dieser Fälle können die Elektrolyt-Zugabeeinheiten auch mit den Einlaßleitungen sowohl der Anodenkammer als auch der Kathodenkammer verbunden sein, oder eine Elektrolyt-Zugabeeinheit kann mit der Einlaßleitung entweder der Anodenkammer oder der Kathodenkammer verbunden sein.

Die vorliegende Erfindung ist auch dann wirksam, wenn die Elektrolyte den Auslaßleitungen der Anodenkammer und der Kathodenkammer und den Einlaßleitungen der Anodenkammer und der Kathodenkammer zugeführt werden.

Wenn ein Elektrolyt als eine wäßrige Elektrolyt-Lösung verwendet wird, umfaßt die Elektrolyt-Zugabeeinheit einen wäßrigen Elektrolyt-Lösungs-Vorratsbehälter und eine Pumpe zur Einführung dieser Lösung in die Auslaßleitung entweder der Anodenkammer oder der Kathodenkammer. Der wäßrige Elektrolyt-Lösungs-Vorratsbehälter kann aus irgendeinem beliebigen Material hergestellt sein, so lange er nicht abgebaut oder aufgelöst wird durch die darin zu lagernde Elektrolyt-Lösung. So ist beispielsweise ein Vorratsbehälter aus Polyethylen mit hoher Dichte bevorzugt. Die Pumpe zur Einführung der wäßrigen Elektrolytlösung kann eine solche eines beliebigen Typs sein und sie kann aus irgendeinem beliebigen Material bestehen, so lange sie gegenüber der zu pumpenden Elektrolytlösung beständig ist und die erforderliche Menge Elektrolytlösung transportieren kann.

So ist beispielsweise eine Kolbenpumpe mit konstantem Volumen bevorzugt.

Wenn die Quelle für den Elektrolyten Ammoniakgas, Kohlendioxid-Gas oder dgl. ist, umfaßt die Elektrolyt-Zugabeeinheit einen Gaszylinder, eine Rohrleitung zum Verbinden des Zylinders mit der Auslaßleitung der Anoden- oder Kathodenkammer, in der ein Gasdruck-Regulator und eine Gasströmungs-Kontrolleinrichtung in die Rohrleitung montiert sind, um den Druck und die Strömungsgeschwindigkeit des Gases, das in die Auslaßleitung eingeführt werden soll, zu steuern (kontrollieren).

Die Menge des zuzuführenden Elektrolyten, die Zusammensetzung, die Konzentration und der pH-Wert des EIW nach der Zugabe des Elektrolyten werden so gesteuert, daß die gewünschten Eigenschaften, beispielsweise das Oxidations-Reduktions-Potential und der pH-Wert des EIW, die für einen speziellen Zweck erforderlich sind, eingestellt (festgelegt) werden. Wenn man beispielsweise annimmt, daß eine Vielzahl von Ionen dem Elektrolysator zugegeben wird, werden die Konzentrations und Dosierungswerte jedes Elektrolyten so eingestellt, daß ein optimales Ionengleichgewicht erzielt wird, wodurch ein EIW erzeugt wird, das für einen speziellen Verwendungszweck am besten geeignet ist. Der pH-Wert des EIW wird so eingestellt (kontrolliert), daß die durch die Elektrolyse gebildeten oxidierenden und reduzierenden Substanzen in einem stabilen und wirksamen Zustand gehalten werden, bis das EIW verwendet wird. Es kann einer oder eine Vielzahl der obengenannten Faktoren für den gewünschten Verwendungszweck eingestellt werden.

Um die obengenannten Faktoren zu steuern (kontrollieren), kann eine vorgegebene Menge des Elektrolyten mit einer vorgegebenen Konzentration dem Zulauf-Wasser zugesetzt werden unter Verwendung der Pumpe mit konstantem Volumen. Wenn es bevorzugt ist, die vorher eingestellten Werte in dem gewünschten Maße zu variieren, können ein automatischer Densitometer, ein pH-Messer oder ein Oxidations-Reduktions-Potential-Messer und dgl. in der Elektrolyt-Zuführungsleitung stromabwärts von dem Elektrolyt-Zugabepunkt angeordnet sein. Dann kann eine Vorrichtung zum Variieren der Menge des zugeführten Elektrolyten in der Elektrolyt-Zugabeeinheit vorgesehen sein, um dadurch die Dosierungsmenge des Elektrolyten entsprechend dem abgelesenen Wert des Densitometers, des pH-Messers, des ORP-Messers und dgl. einzustellen. Da die Eigenschaften des EIW mit dem Elektrolysestrom variieren, können die obengenannten Faktoren hergestellt (kontrolliert) werden durch Verändern des Elektrolysestroms zusätzlich zur Kontrolle der Dosismenge des Elektrolyten.

Das Zulauf-Wasser, wie Leitungswasser, Industriewasser, Grundwasser, entionisiertes Wasser oder hochreines Wasser, kann entsprechend dem speziellen Verwendungszweck des EIW der erzeugenden Vorrichtung zugeführt werden. Wenn beispielsweise das EIW zum Sterilisieren in Krankenhäusern, Zahnkliniken, Restaurants und in der Lebensmittelverarbeitungsindustrie oder zur Durchführung einer Antioxidationsbehandlung von Metalloberflächen, die in Stufen zur Herstellung von Metallteilen angewendet wird, verwendet wird, können Leitungswasser, Industriewasser und Grundwasser zuverlässig als Zulauf-Wasser verwendet werden. Ein solcher Zulauf kann den Anforderungen in bezug auf Konzentration der Verunreinigungen des EIW der für die obengenannten Zwecke verwendet wird, genügen. Außerdem wird eine Vielzahl von Ionen, die in dem Zulauf-Wasser enthalten sind, für die pH-Einstellung verwendet oder sie können als Ausgangsmaterial für oxidierende oder reduzierende Substanzen, die durch die Elektrolyse gebildet werden, verwendet werden.

Wenn sie zum Reinigen von elektronischen Einrichtungen verwendet wird, die sehr saubere Oberflächen aufweisen sollten, sollte eine Reinigungslösung eine niedrige Konzentration an Verunreinigungen aufweisen. In einem solchen Fall ist die Verwendung von entionisiertem Wasser oder von hochreinem Wasser als Zulauf-Wasser für die EIW erzeugende Vorrichtung bevorzugt.

Das entionisierte Wasser wird erhalten durch Behandeln von Leitungswasser, Industriewasser, Grundwasser und dgl. mit Ionenaustauscherharzen oder durch Umkehrosmose. Ein solches entionisiertes Wasser sollte vorzugsweise eine elektrische Leitfähigkeit von 10 μS/cm oder weniger aufweisen. Wenn das EIW eine sehr niedrige Konzentration an Verunreinigungen aufweisen sollte, können ferner ein hochreines Wasser erzeugendes System, das umfaßt einen Ionenaustauscher, einen Membranseparator, eine Ultraviolett-Bestrahlungseinrichtung, eine Entgasungseinrichtung und dgl., zum weiteren Reinigen des obengenannten entionisierten Wassers verwendet werden, um dadurch hochreines Wasser zu erzeugen, das frei von Spuren Ionen, Bakterien, organischem Material, Feinteilen und gelösten Gasen ist. In diesem Fall ist es möglich, die Eigenschaften des EIW genau zu charakterisieren, da nur die durch die Elektrolyt-Zugabeeinheit(en) zugegebenen Elektrolyte in dem Wasser in den Auslaßleitungen stromabwärts von den Elektrolyt-Zugabeeinheit(en) enthalten ist. Außerdem kann dann, wenn das so erhaltene EIW durch eine Mikrofiltrationsmembran, durch eine Ultrafiltrationsmembran oder dgl. filtriert wird, es im wesentlichen frei von Verunreinigungen wie Teilchen sein und eine hohe Reinheit aufweisen. Hochreines Wasser als Zulauf-Wasser erfordert eine entsprechend höhere elektrolytische Spannung. In einem solchen Fall ist es bevorzugt, daß ein fester Elektrolyt die Mittelkammer füllt, um so die elektrolytische Spannung aufgrund der höheren elektrischen Leitfähigkeit des festen Elektrolyten herabzusetzen. Die Verwendung eines festen Elektrolyten ist nicht auf den vorgenannten Fall beschränkt.

Der feste Elektrolyt kann ein Ionenaustauscherharz, eine Ionenaustauscherfaser oder dgl. sein. Das Ionenaustauscherharz besteht vorzugsweise aus einem Fluorharz, insbesondere aus einem stark sauren Kationenaustauscherharz, das funktionelle -SO₃ ^–-Gruppen aufweist, wie NAFION^® NR50, hergestellt von der Firma Du Pont Co., Ltd. Das Ionenaustauscherharz kann aber auch aus einem anderen Material als NAFION^® NR50 bestehen. Außerdem kann das Ionenaustauscherharz aus einem stark sauren Kationenaustauscherharz aus einem Styrol/Divinylbenzol-Polymer, das funktionelle -SO₃ ^–-Gruppen aufweist wie AMBERLITE^® (Handelsname) IR-120B, IR-124, 200, aus einem stark basischen Anionenaustauscherharz aus einem Styrol-Divinylbenzol-Polymer, das funktionelle quaternäre Ammoniumgruppen aufweist, wie AMBERLITE^® IRA-400, IRA-402BL, IRA-900 und dgl., bestehen.

Die erfindungsgemäße, EIW erzeugende Vorrichtung ist sehr geeignet für die Herstellung von Wasser, das zum Reinigen von elektronischen Einrichtungen verwendet wird, die extrem saubere Oberflächen aufweisen müssen. Bei einer solchen Anwendung müssen sowohl ein saures oxidierendes Anodenkammer-EIN als auch ein alkalisches reduzierendes Kathodenkammer-EIW gleichzeitig gebildet werden. Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann der Bedingung genügt werden durch Zugabe von wäßrigen Lösungen einer hochreinen Säure oder Base zu dem elektrolysierten Anodenkammer- und Kathodenkammer-EIW mit Verdünnen bis auf eine gegebene Konzentration oder ohne jede Verdünnung. Um zu verhindern, daß sich Kristalle auf den getrockneten Oberflächen von elektronischen Einrichtungen abscheiden, werden Basen wie Ammoniak, Amine oder dgl. dem Kathodenkammer-EIW zugesetzt und Säuren, wie Chlorwasserstoffsäure, Schwefelsäure, Salpetersäure, Kohlensäure oder dgl., werden dem Anodenkammer-EIW zugesetzt.

Erfindungsgemäß können die Eigenschaften des Anoden- und Kathodenkammer-EIW, beispielsweise das Oxidations-Reduktions-Potential und der pH-Wert, unabhängig voneinander gesteuert (kontrolliert) werden durch die Elektrolyt-Zugabeeinheiten, die stromabwärts von dem Elektrolysator angeordnet sind. Daher können die Eigenschaften des Anoden- und Kathodenkammer-EIW unabhängig voneinander eingestellt (kontrolliert) werden, so daß sie für die vorgesehenen Verwendungszwecke geeignet sind. Außerdem können die EIW in einem Großindustrie-Maßstab hergestellt werden.

Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Erzeugung von ELW wird das Problem gelöst, daß die oxidierenden Produkte und reduzierenden Produkte nicht mehr verschwinden als Folge der wechselseitigen Oxidations-Reduktions-Reaktionen in den Kammern des Elektrolysators. Außerdem sind das Anodenkammer-EIW und das Kathodenkammer-EIW frei von unnötigen restlichen Ionen, so daß das EIW wunschgemäß erzeugt werden kann, ohne daß überflüssige Elektrolyte zugegeben werden müssen.

Erfindungsgemäß ist die EIW erzeugende Vorrichtung in folgender Hinsicht vorteilhaft.

Die Vorrichtung kann leicht elektrolysierte EIW erzeugen, die geeignet sind zum Reinigen von Gegenständen, deren Oberflächen sehr sauber gehalten werden sollten, und sie führt nicht zur Bildung von Kristallen auf gereinigten Gegenständen, weil überflüssige Ionen fehlen.

Die Elektrolyt-Aufgabeeinheit(en) kann (können) mit der Auslaßleitung entweder der Anodenkammer oder der Kathodenkammer verbunden werden, je nach dem vorgesehenen Verwendungszweck des EIW. Dadurch wird die Vorrichtung zur Erzeugung des EIW vereinfacht.

Wenn entionisiertes Wasser oder hochreines Wasser als Zulauf der Anodenkammer, der Zwischenkammer und der Kathodenkammer zugeführt wird, kann die Vorrichtung ein EIW erzeugen, das im wesentlichen frei von irgendwelchen Verunreinigungen ist und sie kann die Eigenschaften des EIW genauer steuern (kontrollieren).

Wenn die Diaphragmen zwischen den drei Kammern Ionenaustauschmembranen sind, ist es möglich, die elektrolytische Spannung und den Energieverbrauch herabzusetzen wegen der elektrischen Leitfähigkeit der Ionenaustauschmembranen.

Die Elektrolyse kann durchgeführt werden ohne Anwendung einer hohen Spannung, wenn die Zwischenkammer mit einem festen Elektrolyten gefüllt ist und entionisiertes Wasser oder hochreines Wasser als Zulauf-Wasser verwendet wird.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist ein schematisches Diagramm, das den Aufbau einer Vorrichtung zur Erzeugung von EIW gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
2 ist ein schematisches Diagramm, das den Aufbau eines Beispiels für eine Vorrichtung zur Erzeugung von EIW vom Zwei-Kammer-Typ gemäß Stand der Technik zeigt; und
3 ist ein schematisches Diagramm, das den Aufbau eines Beispiels für eine Vorrichtung zur Erzeugung von EIW vom Drei-Kammer-Typ gemäß Stand der Technik zeigt.
Detaillierte Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform
Die vorliegende Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf eine bevorzugte Ausführungsform beschrieben, bei der Elektrolyte dem Anodenkammer-EIW und dem Kathodenkammer-EIW zugesetzt werden.
In der 1 umfaßt die Vorrichtung zur Erzeugung von EIW einen Drei-Kammer-Elektrolysator 1, der eine Anodenkammer 6, die eine Anode 4 umgibt, eine Zwischenkammer 7, eine Kathodenkammer 8, die eine Kathode 5 umgibt, und Diaphragmen 2 und 3, welche die obengenannten drei Kammern voneinander trennen, umfaßt. An die Anode 4 und die Kathode 5 wird mittels Energiezuführungsleitungen 18 und 19 eine Gleichspannung angelegt.
Durch Einlaßleitungen 9, 10 und 11, die von einem gemeinsamen Beschickungsrohr abzweigen, wird ein Zulauf-Wasser den drei Kammern zugeführt.
Das EIW aus der Anodenkammer 6 fließt durch eine Auslaßleitung 14 aus, ein Ablauf aus der Zwischenkammer 7 wird durch eine Auslaßleitung 15 ausgetragen und der EIW aus der Kathodenkammer 8 fließt ab durch eine Auslaßleitung 16.
In den Auslaßleitungen 14 und 16 sind jeweils Filter 20 und 21 angeordnet, bei denen es sich um Mikrofiltrationsmembranen handelt, um Feinteile und dgl., die in dem EIW aus den Anoden- und Kathodenkammern 6 und 8 enthalten sind, zu entfernen. Die Verwendung dieser Membranen ist bevorzugt wenn Reinigungslösungen für elektronische Einrichtungen, die sehr saubere Oberflächen aufweisen sollten, hergestellt werden.
Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß eine Elektrolyt-Zugabeeinheit 12 stromaufwärts von dem Filter 20, d.h. zwischen der Anodenkammer 6 und dem Filter 20, mit der Auslaßleitung 14 verbunden ist, um dadurch Elektrolyt(en) dem EIW aus der Anodenkammer 6 zuzuführen. In entsprechender Weise ist eine Elektrolyt-Zugabeeinheit 13 stromaufwärts von dem Filter 21 mit der Auslaßleitung 16 verbunden, um Elektrolyt(en) dem EIW aus der Kathodenkammer 8 zuzusetzen.
Erfindungsgemäß können ein Teil der oxidierenden Substanzen, die auf der Oberfläche der Anode 4 gebildet werden, und ein Teil der reduzierenden Materialien, die auf der Oberfläche der Kathode 5 gebildet werden, durch die Diaphragmen 2 und 3 hindurch in die Zwischenkammer 7 wandern. Die wandernden oxidierenden oder reduzierenden Substanzen werden jedoch aus dem Elektrolysator 1 durch das Zulauf-Wasser, welches der Zwischenkammer 7 durch die Einlaßleitung 10 zugeführt wird, mitgerissen und durch die Einlaßleitung 15 ausgetragen. Auf diese Weise ist es möglich, das Problem zu verhindern, wonach die oxidierenden Substanzen und die reduzierenden Substanzen in die Kammern mit zueinander entgegengesetzten Polaritäten wandern können und durch die wechselseitigen Oxidations- und Reduktions-Reaktionen zum Verschwinden gebracht werden.
Die Elektrolyt-Zugabeeinheiten 12 und 13, die mit den Auslaßleitungen 14, 16 der Anoden- und Kathodenkammern 6, 8 verbunden sind, können unabhängig voneinander und selektiv mindestens einen der Parameter Menge der zuzuführenden Elektrolyte und Zusammensetzung, Konzentration und pH-Wert des EIW nach der Zugabe der Elektrolyten zu den Anoden- und Kathodenkammern 6, 8, steuern (kontrollieren). Auf diese Weise können die Elektrolyte in den Anoden- und Kathodenkammer-EIW unabhängig voneinander in bezug auf ihre Zusammensetzungen, Konzentrationen, pH-Werte und dgl. gesteuert (kontrolliert) werden. Deshalb können die Eigenschaften des Anodenkammer-EIW und des Kathodenkammer-EIW, beispielsweise das Oxidations-Reduktions-Potential und der pH-Wert, gewünschtenfalls leicht, voneinander unabhängig, gleichzeitig und selektiv gesteuert (kontrolliert) werden.
Beispiel 1
Ein EIW wurde unter den nachstehend angegebenen Bedingungen unter Verwendung der Vorrichtung gemäß 1 erzeugt. Der Elektrolysator 1 war aus einem Polypropylenmaterial hergestellt und die Diaphragmen 2 und 3 waren Kationenaustauschmembranen (NAFION^® 350, hergestellt von der Firma Du Pont Co., Ltd.). Die Anode 4 und die Kathode 5 waren Platin-Gitter-Elektroden einer Größe von 180 mm × 240 mm. In die Zwischenkammer 7 wurde ein Kationenaustauscherharz (NAFION^® NR 50) eingefüllt.
Mit der Elektrolyt-Zugabeeinheit 12 wurde Chlorwasserstoffsäure der Auslaßleitung 14 aus der Anodenkammer 6 zugeführt. In entsprechender Weise wurden mit der Elektrolyt-Zugabeeinheit 13 Ammoniak-Wasser in die Auslaßleitung 16 aus der Kathodenkammer 8 eingeführt. Die Chlorwasserstoffsäure und das Ammoniak-Wasser wurden auf die gewünschten Konzentrationen verdünnt und in Polyethylen-Vorratsbehältern aufbewahrt. Mit den Elektrolyt-Zugabeeinheiten 12 und 13 wurden diese Elektrolyte unter Verwendung von Kolbenpumpen mit einem konstanten Volumen (nicht dargestellt) den Auslaßleitungen 14 und 16 zugeführt. Als Zulauf-Wasser wurde hochreines Wasser verwendet (spezifischer Widerstand 18 MΩ·cm).
Elektrolyse-Bedingungen

Elektrolytischer Strom: 10 A·(Stromdichte 2,3 A/dm²)
Strömungsgeschwindigkeit: 50 l/h in jeder Kammer
Betriebstemperatur: Raumtemperatur

Die Konzentrationen der Elektrolyte (Chlorwasserstoffsäure und Ammoniak) in dem EIW wurden geändert durch Einstellung der Strömungsgeschwindigkeit der Pumpen der Elektrolyt-Zugabeeinheiten 12 und 13, wie in der Tabelle I angegeben, in der die Eigenschaften des erzeugten Anodenkammer-EIW und des erzeugten Kathodenkammer-EIW angegeben sind. Tabelle 2
In der Tabelle I sind die Oxidations-Reduktions-Potentiale angegeben als Potentiale, die auf eine Normal-Wasserstoff-Elektrode (NHE) bezogen sind. Wenn die Elektrolyt-Konzentration 0 mg/l beträgt (ohne jede Elektrolyten), kann der pH-Wert des hochreinen Wassers mit 18 MΩ·cm nicht gemessen werden. Deshalb ist (pH 7) nur als Bezugs-Wert angegeben.
Wie aus der Tabelle I ersichtlich, variiert der pH-Wert des Anodenkammer-EIW zwischen 1,4 und 7, wenn der Dosierungswert der Chlorwasserstoffsäure, die der Auslaßleitung 14 aus der Anodenkammer 6 zugeführt wird, geändert wird von 0 bis 1460 mg HCl/l. Das heißt mit anderen Worten; der pH-Wert des Anodenkammer-EIW kann eingestellt werden durch Einstellung der Dosismenge der zuzugebenden Chlorwasserstoffsäure. Das Oxidations-Reduktions-Potential ist einstellbar zwischen 1050 und 1330 mV (gegen NHE). Die Eigenschaften des Kathodenkammer-EIW sind wie folgt einstellbar: der pH-Wert ist einstellbar zwischen 7 und 10,7 und das Oxidation-Reduktions-Potential ist einstellbar zwischen –630 und –500 mV (vs. NHE) durch Steuerung (Kontrolle) der Dosismenge des Ammoniaks das in die Auslaßleitung 16 der Kathodenkammer 8 eingeführt wird (d.h. durch Änderung der Ammoniak-Konzentration von 0 bis 680 mg NH₃/l in dem Kathodenkammer-EIW).
In diesem Beispiel 1 wird Chlorwasserstoffsäure der Auslaßleitung 14 zugeführt, während Ammoniak der Auslaßleitung 16 zugeführt wird. Deshalb können die Eigenschaften des Anodenkammer-EIW und des Kathodenkammer-EIW unabhängig voneinander eingestellt (kontrolliert) werden, so daß keine Ammoniumionen dem Anodenkammer-EIW zugemischt werden und keine Chloridionen dem Kathodenkammer-EIW zugemischt werden.
Vergleichsbeispiel 1
Als Vergleichsbeispiel wurde ein EIW nach einem anderen, koventionellen Verfahren erzeugt. In diesem Beispiel wurden die in Beispiel 1 verwendete Elektrolyt(e) nicht zugegeben. Es wurde eine wäßrige Ammoniumchloridlösung zu dem hOchreinen Wasser des Beispiels 1 zugegeben zur Herstellung eines Zulauf-Wassers, das in die drei Kammern des Elektrolysators 1 mit einer Strömungsgeschwindigkeit von 100 l/h eingeführt wurde. Die Konzentrationen der wäßrigen Ammoniumchloridlösung (Zulauf-Wasser) wurden wie in der Tabelle II angegeben geändert. Die übrigen Bedingungen waren die gleichen wie diejenigen in Beispiel 1. Tabelle II
Wie in der Tabelle II angegeben, war es möglich, den pH-Wert und das Oxidations-Reduktions-Potential des EIW zu ändern durch Ändern der Konzentration an Ammoniumchlorid in dem Zulauf-Wasser. Es war jedoch unmöglich, die Eigenschaften des Anodenkammer-EIW und des Kathodenkammer-EIW unabhängig voneinander zu steuern (zu kontrollieren).
In dem Anodenkammer-EIW war eine beträchtliche Menge Ammonium vorhanden und in entsprechender Weise war in dem Anodenkammer-EIW eine beträchtliche Menge an Chloridionen vorhanden.

Claims

Vorrichtung zur elektrolytischen Aufbereitung von Wasser (elektrolytisch ionisiertes Wasser; EIW) mit – mindestens einer Anode (4) und mindestens einer Kathode (5); – einem Elektrolysator (1) mit – einer Anodenkammer (6), die eine Anode (4) umgibt, – einer Kathodenkammer (8), die eine Kathode (5) umgibt; – einer Zwischenkammer (7), die durch Diaphragmen (2, 3) von der Anodenkammer (6) und der Kathodenkammer (8) getrennt und dazwischen angeordnet ist; – Einlassleitungen (9, 10, 11) zur Einführung von Zulauf-Wasser in die Anoden- (6), Kathoden- (8) und Zwischenkammer (7); – Auslassleitungen (14, 15, 16) zum Austragen von Ablauf-Wasser aus den jeweiligen Kammern; – eine oder mehrere Elektrolyt-Zugabeeinheit/en (12, 13), die an die Auslassleitung/en der Anoden- und/oder Kathodenkammer angeschlossen ist/sind, – wobei die Elektrolyt-Zugabeeinheit/en (12, 13) zur Steuerung mindestens der Dosiermenge des/der zuzuführenden Elektrolyte, der Zusammensetzung, der Konzentration des/der Elektrolyten oder des pH-Wertes des Ablauf-Wassers nach der Zugabe des/der Elektrolyten dient.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Diaphragmen (2, 3) Ionenaustauschmembranen sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenkammer mit einem oder mehreren festen Elektrolyten gefüllt ist.
Verfahren unter Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrolyt-Zugabeeinheit(en) (12, 13) die Dosierungsmenge der zuzugebenden Elektrolyten, die Zusammensetzung und die Konzentration des (der) Elektrolyten oder den pH-Wert des EIW nach der Zugabe des (der) Elektrolyten steuert.
Verfahren unter Verwendung einer Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrolyt-Zugabeeinheit(en) (12, 13) den pH-Wert des EIW nach Zugabe des (der) Elektrolyten zu dem EIW steuert.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass den Auslassleitungen ein oder mehrere saure Elektrolyte zugeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass den Auslassleitungen ein oder mehrere alkalische Elektrolyte zugeführt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass Leitungswasser, entionisiertes Wasser oder ultrareines Wasser als Zulauf-Wasser der Anodenkammer, der Kathodenkammer und der Zwischenkammer zugeführt wird.