DE3203877A1

DE3203877A1 - Verfahren zur elektrochemischen sauerstoffentfernung aus waessern o. dgl. sowie auf vorrichtungen zur durchfuehrung des verfahrens

Info

Publication number: DE3203877A1
Application number: DE19823203877
Authority: DE
Inventors: Heinz Ing.(grad.) 4600 Dortmund Bäumler; Günther Dr. Holzäpfel; Carl-Ludwig Dipl.-Chem. Kruse; Peter Dipl.-Ing. Müller; Hans Prof. Rickert
Original assignee: WESTFAEL ELEKT WERKE
Current assignee: WESTFAEL ELEKT WERKE
Priority date: 1982-02-05
Filing date: 1982-02-05
Publication date: 1983-09-01
Also published as: DE3203877C2

Description

Bezeichnung : "Verfahren zur elektrochemischen Sauerstoffent-
fernung aus Wässern o. dgl. sowie auf Vorrichtungen zur Durchführung des Verfahrens'1 Die Erfindung richtet sich auf Verfahren zur elektrochemischen Sauerstoffentfernung aus Wässern o. dgl. sowie auf Vorrichtungen zur Durchführung des Verfahrens.
In Wasser oder wässrigen Lösungen oder anderen Fluiden, kann Sauerstoff gelöst sein, der in vielen technischen Anlagen zur Korrosion an Metallen, die vom Fluid benetzt sind, führen kann. Diese Korrosion kann zu erheblichen Schäden führen, z.B. in Kleinkraftwerken, bei denen das durch Leckverlust entstehende Wasser ersetzt werden muß und in der Regel nicht in aufwendiger Weise, wie bei Großkraftwerken üblich, aufbereitet werden kann. Ein in jüngster Zeit mehr an Bedeutung gewinnendes Gebiet ist allerdings dasjenige von Fußbodenheizungen, bei denen das Heizungswasser in Kunststoffrohren geführt ist, durch die hindurch Sauerstoff in das Heizungswasser eindiffundiert. Treten Schäden an denKunststoffrohren selbst nicht auf, so kann es aber zu Schäden in den Metalleitungen oder aber auch in den Kesseln kommen, wenn diese nicht aus Edelstahl o. dgl. ge#fertigt sind. Gleiche Probbme können auch in Warmwasseraufbereitungsanlagen im Haushalt und Industrie, in Schwimmbädern u. dgl., vorkommen. Das Auftreten von derartigen Schäden ist z.B.
im VDI-Bericht Nr. 388, 1980, Seiten 57 ff, beschrieben.
Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, elektrochemische Verfahren zur Sauerstoffentfernung aus aus sauerstoffbeladenen Fluiden anzugeben sowie Vorrichtungen,mit denen die beanspruchten Verfahren durchgeführt werden können.
Grundsätzlich wäre es möglich, in das Prozeßwasser sauerstoffbindende Chemikalien, wie z.B. Natriumsulfid oder Hydrazin, einzugeben, was allerdings von den Herstellern derartiger Anlagen bisher als probimatisch angesehen wurde. Auch die Anwendung der üblichen die Anodenreaktion hemmenden Korrosionsinhibitoren ist insbesondere bei bestehenden Anlagen wegen der Gefahr der Begünstigung von Lochkorrosion an mit Rost bereits abgedeckten Stellen nicht möglich.
Zur Lösung der gestellten Aufgabe sieht die Erfindung bei einem Verfahren der eingangs bezeichneten Art einmal vor, daß als Anode eine inerte Elektrode eingesetzt und der an ihr entstehende Sauerstoff in einem Gasdom gesammelt und aus dem System entfernt wird oder aber in weiterer Alternative, daß als Anode eine#0pferanode aus einem unedlen, in Lösung gehenden Metall eingesetzt wird.
Mit beiden Verfahrensweisen läßt sich die gestellte Aufgabe lösen, d.h. den Sauerstoff auf elektrochemischem Wege aus dem System zu entfernen.
Zur Vereinfachung der nachfolgenden Beschreibung wird dabei der im Prozeßwasser gelöste Sauerstoff als Primärsauerstoff bezeichnet und der sich ggf. aufgrund der elektrochemischen Reaktion zusätzlich an der Anode bildende Sauerstoff als Sek-undärsauerstoff bezeichnet.
Die erste Alternative bindet den im Prozeßfluid gelösten Primärsauerstoff dadurch, daß an der Kathode OH#-Ionen gebildet werden, wobei par#allel hierzu allerdings an der inerten Anode Sekundärsauerstoff entsteht, der in der erfindungsgemäßen Verfahrensweise entfernt wird.
Nach der zweiten alternativen Verfahrensweise wird wiederum an der Kathode der Primärsauerstoff in -Ionen nach der bekannten Reaktion umgesetzt, dabei löst sich die Opferanode auf, ohne daß es zu einer# Entwicklung von Sekundärsauerstoff kommt. Die Vorgänge sind dabei die folgenden Vorgang an der Kathode Primärsauerstoff plus Wasser plus Elektronen, geliefert von der pötentiostatischen Stromquelle ergeben OH--Ionen.
Vorgänge an der Anode nach den erfindungsgemäßen Verfahrens varianten Inerte Anode nach Anspruch 1 Aus Wasser entsteht Sekundärsauerstoff, Wasserstoffionen und Elektronen werden an die Stronquelle abgegeben. Durch das Entstehen von Wasserstoffionen wird die Flüssigkeit in Anodenumgebung zu niedrigen pH-Werten verschoben, d.h. sauer.
Anode aus unedlem Metall (z.B. Magnesium) nach Anspruch 2: Magnesium löst sich auf, es entstehen Magnesiumionen und Elektronen, die bei den Vorgängen an der Kathode verbraucht werden.
In Ausgestaltung ist nach der Erfindung vorgesehen, daß das zu behandelnde Fluid durch eine Kathode mit einer großen benetzten Oberfläche geleitet wird, wobei die Kathode relativ zur Anode zur Erzeugung eines den gesamten Fluidstrom im wesentlichen gleichmäßig durchsetzenden elektrischen Feldes und zur Inberührungbringung des gesamten durchströmenden Fluides mit der Kathodenoberfläche als engmaschiges Gitter o. dgl. gestal-tet ist.
Zweckmäßig ist es, wenn der Strom zwischen Anode und Kathode durch einen Potentiostaten geregelt und gesteuert wird, wobei bei einer entsprechenden -Steuerung eine vollautomatische Überwachung der Wasserqualität in Bezug auf den Gehalt an gelösten Sauerstoff erfolgen kann. Hierbei kann ein Permanentregler oder eine in- termittierende oder Intervallregelung vorgesehen sein u. dgl. mehr.
Die Erfindung betrifft auch Vorrichtungen zur Durchführung der a-lternativen Verfahren, wobei die Vorrichtung nach einer Erfindungsvariante darin besteht, daß oberhalb des vom Fluid durchströmten Raumes ein Gasdom mit einem Entlüftungsentil vorgesehen ist, wobei in deren weiteren Ausgestaltung vorgesehen sein kann, daß zwischen dem Durchströmungsraum und dem den Gas dom auf-weisenden Bereich der Vorrichtung ein Diaphragma und in dem von diesem abgetrennten, oberen Bereich der Vorrichtung eine inerte Anode elektrisch isoliert vorgesehen ist.
In einer alternativen Ausgestaltung einer Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruches 11 ist nach der Erfindung vorgesehen, daß die Anode aus einem unedlen, in Lösung gehendes Metall besteht, d.h. daß es sich hierbei um eine sogenannte .Opferanode handelt, Diese Opferanode kann z.B. aus Magnesium, Zink o. dgl. bestehen.
Es kann vorgesehen sein, daß zwischen Anode und Kathode eine potentiostatisch geregel-te Stromquelle vorgesehen ist. Auch kann, wenn das Gehäuse selbst nicht als Kathode geschaltet ist, vorgesehen sein, daß in dem von Fluid durchströmten Raum die Kathode als Netz, Gitter o. dgl. ~ausgebildet ist, wobei Ziel dieser Ausbildung ist, eine möglichst gleichmEßige Stromlinienverteilung quer durch den Fluidstrom zu erreichen und eine möglichst vollständige Berührung des Fluidstromes mit der Kathodenoberfläche.
Die Erfindung ist nachstehend anhand der Zeichnung beispielsweise näher erläutert, die in der einzigen Figur ein Prinzipbild einer der Vorrichtungsvarianten darstellt.
In einem mit einem Fluidzulauf 1 und einem Fluidablauf 2 versehenen Gehäuse 3, welches z.B. aus einem elektrisch leitenden Material bestehen kann, sind zwei gitterartige Kathoden 4 und 4' angeordnet und im Winkel air von den Pfeilen 5 bezeichneten Strömungsrichtung ausgerichtet.
Die Gitter-Kathoden 4 sind an einer Gleichstromquelle 6 angeschlossen, die selbst von einem nicht näher dargestellten Potentiostaten steuerbar ist.
Unter Zwischenschaltung von elektrischen Isolationen, z.B. einer Isolier-Dichtscheibe 7, ist das Gehäuse 3 mit einem einen Gasdom 8 aufweisenden Gehäuseteil 9 ausgerüstet, in das eine Ring- oder Telleranode 10 aus inertem Material elektrisch isoliert eingefügt ist. Die Anode 10 ist ebenfalls mit der Gleichstromquelle 6 verbunden.
Im Gasdom 8 ist ein Entlüftungsventil 11 eingebaut. Der obere Anodenraum 13 ist vom Durchströmungsraum 14 durch ein Diaphragma 12 getrennt.
Die Wirkungsweise der Vorrichtung ist die folgende Bei Beaufschlagung von Anode und Kathode mit Gleichstrom von der Gleichstromquelle 6 bildet sich ein elektrisches Feld zwischen der Anode 10 und den oder der Kathode 4, welches den Strömungsraum 14 des Fluids möglichst gleichmäßig durchsetzt. Damit werden OH -Ionen erzeugt, dbr gelöste Primärsauerstoff also in dieser Weise gebilden. Allerdings bildet sich an der Kathode 10 Sekundärsauerstoff. Um zu vermeiden, daß dieser Sekundärsauerstoff in das gerade vom Sauerstoff befreite Fluid erneut eintritt, ist der Anodenraum 13 durch das Diaphragma 12 gegenüber den Durchströmungsraum 14 des Fluids gesperrt. Der Sauerstoff sammelt sich daher im Dom 8 und kann durch Erhöhung des Innendruckes oder durch andere Mittel automatisch über das Ventil 11 entlüftet werden.
Natürlich ist das beschriebene Ausführungsbeispiel der Erfindung in vielfacher Hinsicht abzuändern, ohne den Grundgedanken der Erfindung zu verlassen. So kann z.B.
vom-Einsatz einer Opferanode die Vorrichtung praktisch auf den Kopf" eingebaut werden, so daß statt des Entlüftungsyentiles 11 eine Entschlammungsöffnung o. dgl.
vorgesehen sein kann. In diesem Fall wäre das Diaphragma 12 entbehrlich.
Die Steuerung über den Potentiostaten ist in der Regel so, daß der an der Kathode vorbeipassierende Sauerstoff gerade reduziert wird und damit aus der Lösung entfernt wird. Da die Flüssigkeit im Anodenraum während des Betriebes sauer wird, steigt an der Wand des Anodenraumes 13 die Korrosionsgefahr, so daß dieser Teil zweckmäßig aus nichtkorrodierendem Material, wie Kunststoff, Edelstahl oder Titan besteht. Bei der Verwendung von Anoden aus unedlem Metall, kann durch direkte Verbindung.zwischen Anode und Kathode die elektrische Versorgung durch eine potentiostatische Stromquelle entfallen.

Claims

Ansprüche : 1. Verfahren zur elektrochemischen Sauerstoffentfernung aus Wässern und wässrigen Lösungen, bei dem das zu behandelnde Fluid eine Kathode. beauftchlagt, dadurch gekennzeichnet, daß als Anode eine inerte Elektrode eingesetzt und der an ihr entstehende Sauerstoff in einem Gasdom gesammelt und aus dem System entfernt wird.
2. Verfahren zur elektrochemischen Sauerstoffentfernung aus Wässern und wässrigen Lösungen, bei dem das zu behandelnde Fluid eine Kathode beaufschlagt, dadurch gekennzeichnet, daß als-Anode eine Opferanode aus einem unedlen, in Lösung gehenden Metall eingesetzt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das zu behandelnde Fluid durch eine Kathode mit einer großen benetzten Oberfläche geleitet wird, wobei die Kathode relativ zur Anode zur Erzeugung eines den gesamten Fluidstrom im wesentlichen gleichmäßig durchsetzenden elektrischen Feldes und zur Inberührungbringung des gesamten durchströmenden Fluides mit der Kathodenoberfläche als engmaschiges Gitter o. dgl. gestaltet ist.
4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ånsprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Strom zwischen Anode und Kathode dber einen Potentiostaten geregelt und gesteuert wird.
5. Vorrichtung insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 mit einem einen FIuidzulauf#(1) und einen Fluidablauf (2) aufweisenden Gehäuse (3), dadurch gekennzeichnet, daß oberhalb des vom Fluid durchströmten Raumes (14) ein Gasdom (8) mit einem Entlüftungsventil (11) vorgesehen ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Durchströmungsraum (14) und dem den Gasdom aufweisenden Bereich (9) der Vorrichtung (3) ein Diaphragma (12) und in dem von diesem abgetrennten, oberen Bereich (9) der Vorrichtung (3) eine inerte Anode (10) elektrisch isoliert vorgesehen ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß im vom Fluid durchströmten Raum wenigstens eine als Netz, Gitter o. dgl. ausgebildete Kathode (4) ange#ordnet ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathoden (4,4') als in Strömungsr#htung#(5) im Winkei angeordnete Gitter ausgebildet sind.
9. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder einem der folgenden, dadurch- gekennzeichnet, daß die den Gasdom (8) enthaltenen Bereiche (9) -der Vorrichtung (3) aus einem nicht korrodierenden Material bestehen.
10. #orrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Diaphragma aus poröser Keramik oder porösem Glas besteht.
11. Vorrichtung, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 2, mit einem einen Fluidzulauf und einen Fluidablauf aufweisenden Gehäuse mit zur Benetzungsseite hin elektrisch leitenden Gehäusewänden und einer in das Fluid ragenden gegenüber dem Gehäuse isolierten Anode, dadurch gekennzeichnet, daß die Anode aus einem unedlen, in Lösung gehenden Metall besteht.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Anode aus Magnesium, Zink o. dgl. besteht.
13. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Anode und Kathode eine potentiostatisch geregelte Stromquelle vorgesehen ist.