EP0951448A1 - Verfahren und vorrichtung zur elektrophysikalischen wasserbehandlung - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur elektrophysikalischen wasserbehandlung

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EP0951448A1
EP0951448A1 EP97943657A EP97943657A EP0951448A1 EP 0951448 A1 EP0951448 A1 EP 0951448A1 EP 97943657 A EP97943657 A EP 97943657A EP 97943657 A EP97943657 A EP 97943657A EP 0951448 A1 EP0951448 A1 EP 0951448A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
water
cathode
anode
space
compartment
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP97943657A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Klaus Leiter
Gerhard Walder
Klaus Neidhardt
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Catalysator Ltd
Original Assignee
Maitron Geraetebau GmbH
Maitron Chemiefreie Wasserbehandlung GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Maitron Geraetebau GmbH, Maitron Chemiefreie Wasserbehandlung GmbH filed Critical Maitron Geraetebau GmbH
Publication of EP0951448A1 publication Critical patent/EP0951448A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F1/00—Treatment of water, waste water, or sewage
    • C02F1/46—Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods
    • C02F1/4602—Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods for prevention or elimination of deposits
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F1/00—Treatment of water, waste water, or sewage
    • C02F1/001—Processes for the treatment of water whereby the filtration technique is of importance
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F2201/00—Apparatus for treatment of water, waste water or sewage
    • C02F2201/46—Apparatus for electrochemical processes
    • C02F2201/461—Electrolysis apparatus
    • C02F2201/46105—Details relating to the electrolytic devices
    • C02F2201/46115—Electrolytic cell with membranes or diaphragms

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for electrolytic water treatment. More specifically, the invention relates to a method for decarbonizing industrial and drinking water, in which the water is filled into a container in which a cathode and an anode are arranged. to which an electrical voltage is applied, carbonate precipitating, whereupon decarbonized water is taken from the container as process or drinking water. Furthermore, the invention relates to a device for performing this method
  • Decarbonization in water treatment refers to the reduction of carbonate hardness.
  • the carbonate hardness corresponds to the proportion of alkaline earth ions, in particular Ca 2+ and Mg 2+ ions, which are present in the water as hydrogen carbonates and can therefore be precipitated as carbonates (for example, lime)
  • alkaline earth ions are bound to the resin in exchange for H + ions, the released H + ions react with the HC0 3 ions present in the water to form water and C0 2 , the C0 2 can be blown out of the water
  • saturation index Sl It is common to determine the saturation state of a water with a logarithmic size, the so-called saturation index Sl. to describe:
  • a method for decarbonizing metastable water is therefore to add suitable crystallization centers (lime or marble powder, certain aluminum silicates, etc.) to the water - seeding technique.
  • decarbonization is achieved by raising the pH value for drinking and industrial water by adding lime milk (Ca (OH) 2 ) and / or sodium hydroxide solution (NaOH) and / or soda (Na 2 C0 3 ) to the water.
  • lime milk Ca (OH) 2
  • NaOH sodium hydroxide solution
  • soda Na 2 C0 3
  • a further problem is the pH value of the water, which is too high after the lime precipitation (the pH value is only slightly reduced due to the carbon dioxide released in the event of lime precipitation). Consequently, further measures have to be taken, such as Add acid or C0 2 to reduce the pH value to between 7 and 8 5 after the lime precipitation
  • Electrochemistry offers alternative methods for producing the alkali (OH ' ions) required for raising the pH.
  • a method is known, for example, from EP 0 548 242, where the OH ions on a cathode are obtained directly from the water Dissolved oxygen formed In this process, however, it is important to carry out the electrode reactions below the water decomposition voltage of 1 23 volts, since otherwise H + ions are formed on the anode, which would lower the pH again. This results in the success of the process in the water existing oxygen and its electrochemical conversion at the cathode are limited
  • the necessary OH ions are now formed by electrolytic decomposition of water on the cathode.
  • a diaphragm prevents the OH ions from recombining with H + ions formed on the anode.
  • Preferred methods and devices are also used specified how the H + ions formed can be used to lower the pH of the decarbonized water. This enables a decarbonization process to be carried out which works without chemical additives and has a high decarbonization efficiency
  • Figure 1 shows a schematic representation of an electrolytic cell.
  • Figure 2 shows a schematic representation of a first exemplary embodiment of a device according to the invention for performing the method according to the invention
  • Figure 3 shows schematically the alternative structure of a diaphragm
  • Figure 4 shows schematically a further alternative structure of the diaphragm with a water withdrawal along the diaphragm
  • Figure 4a shows schematically a structure of the diaphragm with a water withdrawal across the diaphragm
  • FIG. 5 shows an exemplary embodiment suitable for continuous operation
  • FIG. 6 shows details of a further exemplary embodiment in a schematic representation
  • An electrolytic cell (see FIG. 1) is understood to mean a system in which two electrodes AK are conductively connected via an electrolyte (here water). By applying an external voltage source 1 to the electrodes, electrochemical reactions at the electrodes are made possible or a Current flow through the electrolyte causes
  • D h is generated at the cathode in addition to hydrogen OH or H + is reduced to H 2 , at the anode in addition to oxygen H + is generated or OH is oxidized to 0 2
  • a convection bar is sufficient - a diaphragm 2
  • Two spaces are created by inserting the diaphragm between the anode and cathode - a cathode space 4 and an anode space 3
  • the diaphragm must prevent the convective transport of the ions but must be such that a current flow between the anode and cathode in the electrolyte is possible when the voltage is applied. If an OH ion is generated on the cathode, for reasons of charge neutrality, either from the Anode space can be used to transport a cation as a counter ion into the cathode space through the diaphragm or an anion from the cathode space into the anode space.
  • the charge balance in the anode space can be achieved D h but also that for an effective lye - or acid production other cations than H + or other anions other than OH must be present in the electrolyte (conductive salt)
  • the molantate of the conductive salt ultimately determines the achievable alkali or acid concentration.
  • concentration of the OH - and H + ions are low in relation to the ions of the conductive salt, the ions of the conductive salt dominate the current transport via the diaphragm.
  • concentrations of OH ions and H + ions in the order of magnitude of the ion concentrations of the conductive salt, they begin to dominate the current transport through the diaphragm.
  • the concentration of OH in the cathode space or H + ions in the anode space can no longer be increased if this limit is reached, since recombination processes cancel the educational processes
  • their maximum concentrations limit the maximum alkali or acid concentration that can be produced with electrolysis.
  • Drinking water typically has ionic contents less than 10 2 mol / I, so that with the same large volumes of anode , in the anode compartment, at best, achieve a Kathodenrau and H + -Konzentrat ⁇ on corresponding to a pH-value of 2, in the cathode compartment an OH ⁇ tion concentration corresponding to a pH value of 12
  • FIG. 2 shows the diagram of an electrolytic cell for the decarbonization of water according to the invention, anode A, cathode K and diaphragm 2 having a cylindrical shape and being located in a closed container 5
  • the diaphragm 2 can be made of clay, ceramic or plastic, but also membranes, in particular ion-selective membranes, can be used.
  • membranes in particular ion-selective membranes
  • multi-layer diaphragms are suitable, for example a diaphragm consisting of a bed of fine-grain cation exchange resin between membranes
  • the raw water to be decarbonized is let in via the inlet 7 and the container 5 is filled up.
  • the valve 8 in the inlet 7 is closed and the direct voltage over 1 23 volts (for example 24 V) is applied to the electrodes A, K.
  • the water is broken down into H + and 0 2 , at the cathode K OH " and H 2 are formed.
  • the OH 'formed should be distributed as evenly as possible in the cathode space, a stirrer 6 built into the container 5 supports the homogenization Oxygen formed in the anode compartment 3 must be removed via an automatic venting valve 9.
  • the hydrogen formed in the cathode compartment 4 must also be removed via an automatic venting vent 9a
  • the pH increase causes lime to precipitate; iron or manganese ions present in larger concentrations (more than 10 mg / l) are also precipitated in the form of the corresponding carbonates.
  • the precipitated lime accumulates as lime sludge sloping floor 10 of the container
  • the lime sludge must be removed regularly by draining (by opening the drain valve 11 in line 12 and flushing out the container) - otherwise anaerobic bacteria can multiply in the lime sludge, which for example can reduce sulfates in the water to H 2 S - Even the smallest amounts of H 2 S can be smelled
  • the duration of the electrolysis and the length of time necessary for the sedimentation of the lime depend on the water composition, the electrolysis current (determines the OH production) and the water volume in the cathode compartment and can be set once for the respective water Duration of the electrolysis and the electrolysis voltage depending on suitable process-determining parameters.
  • a control device 13 can be provided, which receives the electrolysis voltage via a voltmeter 14 and the electrolysis current via an ammeter 15 as input variables.
  • a sensor 16 can be provided be, which detects the pH value, the turbidity and / or the conductivity in the cathode compartment 4 and feeds it to the control device 13 the line 17 an output signal are generated, which the voltage of the
  • Voltage source 1 changed or switched on and off
  • the water is removed from the container 5 by opening the inlet valve 8. If the inlet is close to the bottom of the container and the outlet on the cover, water is treated by stratification of the pipe water until layer% is removed to ensure that only treated, decarbonised water
  • This disadvantage can be countered by integrating a device in the arrangement which stores the H + ions generated during the electrolysis and which ensures that these are not lost again during a rinsing.
  • weakly acidic cation exchange resins or cation exchange nerves act as such a memory
  • the diaphragm 2 is an approximately 1 to 3 cm thick fill of fine-grained weakly acidic cation exchange resins 22, for example realized by filling the resins in filter socks 23 Cation exchange fibers or the nonwoven must first be converted at least partially from the so-called H-form into a Ca-form (also Mg-form is suitable), ie be loaded with calcium ions.
  • the anode compartment 3 is rinsed several times in order to prevent the formation of undesired chlorine gas concentrations.
  • the water is withdrawn directly from the anode compartment 3, the water from the cathode compartment 4 being carried out through the resin bed 22 against H + ions on the resin ask (2004)t, the thus becoming free-H + ions lower the pH value of the water
  • the pH value of the water removed can be adjusted within a wide range
  • FIG. 4 An improved construction of a diaphragm 2, which is suitable for use in chlorine-containing water and at the same time allows a pH reduction, looks as follows (FIG. 4) First of all, it is mentioned that similar to FIG. 3, where the container 5 and the lines are not shown, this container 5 is also not shown in FIG. 4. The naturally present cathode is also not shown
  • the resin bed 22 ' is delimited on the left and right by membranes 23', the resin bed is thus separated from both the anode space 3 and the cathode space 4.
  • the anode-side membrane 23 ' is preferably a cation exchange membrane in order to suppress the migration of chlorine ions into the anode space H + -Ions that are formed in the anode compartment can pass through the anode-side membrane and are bound to the resin 22 ′ via ion exchange.
  • the water is removed via a separate line 18, so that the water removed from the cathode compartment 4 runs through the resin bed.
  • the bottom 24 is perforated Anode compartment can be spooled via its own line 20
  • a water collection channel 18a is required between the resin bed and the anode-side membrane.
  • a cation exchanger can also be used with this diaphragm structure
  • the diaphragms described last are also suitable for use in low-chloride waters.
  • lime precipitation does not occur instantaneously, i.e. you have to plan a certain process time (typically 30 to 60 minutes).
  • a decarbonization system is combined as described in FIG. 2 with a downstream filter 25, which accelerates the lime precipitation from the solution (through existing lime powder or special pellets) and filters the precipitated lime from the solution.
  • a downstream filter 25 which accelerates the lime precipitation from the solution (through existing lime powder or special pellets) and filters the precipitated lime from the solution.
  • the structure, operation and maintenance of such a filter can be found, for example, in DIN 19605.
  • the process duration of 30 to 60 minutes with a treatment rate of 400 liters per hour defines a volume of decarbonization system and filter of 200 to 400 liters.
  • water is not continuously drawn from a household; if one can refer to the usual withdrawal quantities and withdrawal frequencies, much smaller systems can also be dimensioned (for a single-family house with 4 people approx. 50 liters); if necessary, the use of a filter 25 can be dispensed with.
  • a diaphragm 2 from a chess acidic cation exchange resin bed can be used again (see FIG. 4), through which filtered water is passed during removal. If the volume of the cathode chamber 4 and the average flow or withdrawal quantity are matched to one another, then there is no need for filtration.
  • the efficiency of the decarbonization can be increased, since some of the non-precipitated Ca 2+ ions are continuously returned to the cathode compartment.
  • the efficiency and the pH that can be set can be determined by means of the height of the rubble and the thickness of the resin bed and by means of the electrolysis current Taxes
  • the described invention and device is also suitable for producing seed crystals using the seeding technique.
  • Lime crystals smaller than 5 ⁇ m are particularly suitable for seeding technology, since the setting speed of these crystals is slow enough to carry these crystals from the point of origin to the entire installation system to be protected. Wherever the water is oversaturated, the growth of these crystals is particularly high in hot water generators Competitive process for quay separation on the wall
  • the invention is of course not limited to the exemplary embodiments shown.
  • multiple arrangements and / or cathodes can also be present.

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Abstract

Verfahren und Einrichtung zum Entcarbonisieren von Brauch- oder Trinkwasser, bei dem das Wasser in einen Behälter gefüllt wird, in dem eine Kathode und eine anode angeordnet sind, an welche eine elektrische Gleichspannung angelegt wird, wobei Carbonat ausfällt, worauf entcarbonisiertes Wasser als Brauch- oder Trinkwasser aus dem Behälter entnommen wird, dadurch gekennzeichnet, daß im Behälter ein Diaphragma angeordnet wird, das einen die Kathode beinhaltenden Kathodenraum von einem die Anode beinhaltenden Anodenraum trennt, wobei das zu entcarbonisierende Wasser in den Kathodenraum gefüllt und aus diesem entnommen wird, und daß zwischen Kathode und Anode eine über 1,22 Volt liegende Spannung angelegt wird, so daß sich Wassermoleküle an der Kathode unter Bildung von OH-lonen elektrolytisch zersetzen, wobei im Kathodenraum ein basisches Milieu geschaffen wird, in dem Carbonat, insbesondere in Form von Calciumcarbonat (Kalk) und/oder Magnesiumcarbonat, ausfällt.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur elektrophysikahschen Wasserbehandlung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zur elektrolytischen Wasser- aufbereitung Genauer gesagt betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Entcarbonisie- ren von Brauch- und Trinkwasser, bei dem das Wasser in einen Behalter gefüllt wird, in dem eine Kathode und eine Anode angeordnet sind, an welche eine elektrische Spannung angelegt wird, wobei Carbonat ausfallt, worauf entcarbonisiertes Wasser als Brauch- oder Trinkwasser aus dem Behalter entnommen wird Weiters betrifft die Erfindung eine Einrichtung zum Durchfuhren dieses Verfahrens
Vor der weiteren Beschreibung des Verfahrens und der Einrichtung werden zunächst einige Grundbegriffe der Wasseraufbereitung angeführt
Mit Entcarbonisierung wird in der Wasseraufbereitung die Reduktion der Carbo- natharte bezeichnet Die Carbonatharte entspricht dem Anteil an Erdalkalnonen, insbesondere Ca2+ und Mg2+-lonen, die im Wasser als Hydrogencarbonate vorliegen und damit als Carbonate (beispielsweise Kalk ausgefallt werden können
Grundsätzlich sind zwei Verfahrensprinzipien zur Entcarbonisierung bekannt
■ Entcarbonisierung mit Kationenaustauscherharzen in der H+-Form
■ Entcarbonisierung durch Ausfallen von Carbonaten, insbesondere Kalk
Bei der Entcarbonisierung mit Kationenaustauscherharzen in der I -Form werden Erdalkalnonen im Austausch gegen H+-lonen ans Harz gebunden, die freiwerdenden H+-lonen reagieren mit dem im Wasser vorhandenen HC03 -Ionen zu Wasser und C02, das C02 kann aus dem Wasser ausgeblasen werden
Zum Verständnis der Entcarbonisierung durch Ausfallen von Carbonaten sei hier im besonderen der Kalkausfall beschrieben
Die Grundlagen der Kalkfallung folgen aus der Kenntnis des Kalk-Kohlensauregleich- gewichtes, der Kπstallkeimbildung und des Kalkwachstums Wasser kann bei einer gegebenen Temperatur eine bestimmte Menge an Calcium- und Carbonationen in Lösung halten. Das Lösungsgleichgewicht, die Sättigung, wird über das Löslichkeitsprodukt [CA2+]e.[C03 2-]e=KSOι definiert (die eckigen Klammern stehen für die Konzentration der jeweiligen Ionen, der Index e für die Gleichgewichtskonzentration); Kso, ist bei einer gegebenen Temperatur (und lonenaktivität) eine Konstante. Wenn in einem Wasser das Produkt der lonenkonzentration [CA2+].[C03 2-] kleiner als Ksol ist. dann handelt es sich um untersättigtes oder kalklösendes Wasser; ist das Produkt [CA2+].[C03 2-] größer als KS0|, dann handelt es sich um ein kalkab- scheidendes oder übersättigtes Wasser.
Es ist üblich, den Sättigungszustand eines Wassers mit einer logarithmischen Größe, dem sogenannten Sättigungsindex Sl. zu beschreiben:
Ist das Wasser untersättigt, so ist der Sättigungsindex kleiner als 0; im Fall der Sättigung ist Sl=0 und im Fall der Übersättigung ist Sl>0.
Grundsätzlich ist eine übersättigte Lösung bestrebt, den Überschuß abzuscheiden. Jedoch erfolgt diese Abscheidung im allgemeinen nicht spontan. Wasser hat bezüglich Kaikabscheidung eine relativ hohe Toleranz: Im Übersättigungsbereich zwischen SI=0 und Sl=1 ist das Wasser metastabil; Kalkfällung findet nur dann statt, wenn geeignete Oberflächen bzw. Keime vorhanden sind (Bereich der heterogenen Keimbildung).
Ein Verfahren zur Entcarbonisierung metastabiler Gewässer besteht daher darin, daß dem Wasser geeignete Kristallisationszentren (Kalk- oder Marmorpulver, bestimmte Aluminiumsilikate, etc.) zugesetzt werden - Seeding Technik.
Erst bei hohen Übersättigungen SI>1 wird die sogenannte homogene Keimbildung wahrscheinlich - es können sich spontan Kristallkeime in der Lösung bilden und der überschüssige Kalk kann an diesen Keimen ausfallen. Um bei einer gegebenen Temperatur homogene Keimbildung auszulösen, muß folglich entweder die Calciumionenkonzentration und/oder die Carbonationenkonzentration stark erhöht werden.
Die Erhöhung der Carbonationenkonzentration erreicht man am einfachsten durch die Anhebung des pH-Wertes: Dazu muß man wissen, daß das im Wasser geloste Gesamtcarbonat in 3 verschiedenen Spezies vorliegt, die miteinander im Gleichgewicht sind: C02, HC03 " und C03 2' Die Konzentrationsverhältnisse der Spezies untereinander werden bestimmt durch den pH-Wert. Bei pH-Werten unter 6.3 liegt der Hauptanteil (<50%) des Gesamtcarbonats in Form von C02 vor; ab einem pH-Wert von 10.3 liegt der Hauptanteil (>50%) in Form von C03 "-lonen vor; der mittlere pH- Bereich wird von HC03 "-lonen bestimmt. Als Faustregel gilt für die Erhöhung der C03 2"- Konzentration: Erhöht man im Bereich < ph < 10 den pH-Wert um eine Einheit, so erhöht sich die C03 2'-Konzentratιon um eine Einheit, so erhöht sich die C03 2'-Konzen- tration um eine Größenordnung; entsprechend erhöht sich der Sättigungsindex um 1
Übliche Trink- und Brauchwasser haben pH-Werte zwischen 6 5 und 8.5. Verfahrenstechnisch ist für diese Gewässer zur Auslosung der homogenen Kristallkeimbildung eine Anhebung des pH-Wertes auf Werte zwischen 9 5 und 10.3 günstig.
Großtechnisch wird für Trink- und Brauchwasser die Entcarbonisierung über pH- Wertanhebung realisiert, indem man dem Wasser Kalkmilch (Ca(OH)2) und/oder Natronlauge (NaOH) und/oder Soda (Na2C03) zusetzt.
Der Nachteil dieser Verfahren besteht dann, daß man große Mengen an chemischen Zusätzen dem Wasser beimengen muß. Die Zugabe von Kalkmilch bringt zusatzliche Ca2+-lonen ins Wasser, die im nachfolgenden Kaikausfallprozeß nicht immer voll- standig gefällt werden. Der Verwendung von Natronlauge und Soda im Trinkwasserbe- reich sind durch die Grenzwerte für Natriumionen Grenzen gesetzt.
Ein weiteres Problem ist der nach der Kalkausfällung zu hohe pH-Wert des Wassers (durch die beim Kalkausfall freiwerdende Kohlensaure wird der pH-Wert nur geringfügig abgesenkt). Es müssen folglich weitere Maßnahmen ergriffen werden, wie z.B. Zusetzen von Saure oder C02, um nach der Kalkfallung den pH-Wert wieder auf Werte zwischen 7 und 8 5 abzusenken
Die Elektrochemie bietet alternative Verfahren, um die zur pH-Wertanhebung not- wendige Lauge (OH'-Ionen) zu erzeugen Ein solches Verfahren ist beispielsweise aus der EP 0 548 242 bekannt Dort werden die OH -Ionen an einer Kathode direkt aus dem im Wasser gelosten Sauerstoff gebildet Bei diesem Verfahren ist es jedoch wichtig, die Elektrodenreaktionen unterhalb der Wasserzersetzungsspannung von 1 23 Volt durchzufuhren, da sich sonst an der Anode H+-lonen bilden, die den pH-Wert wieder absenken wurden Dadurch ist der Verfahrenserfolg auf den im Wasser vorhandenen Sauerstoff und dessen elektrochemische Umsetzung an der Kathode beschrankt
In dieser Erfindung ist nun vorgesehen die notigen OH -lonen durch elektrolytische Zerlegung von Wasser an der Kathode zu bilden Durch ein Diaphragma wird ver- hindert daß die OH -lonen mit an der Anode gebildeten H+-lonen rekombinieren Es werden zudem bevorzugte Verfahren und Einrichtungen angegeben, wie man die gebildeten H+-lonen verwenden kann, um den pH-Wert des entcarbonisierten Wassers abzusenken Damit laßt sich ein Entcarbonisierungsverfahren realisieren, das ohne chemische Zusätze aroeitet und eine hohe Entcarbonisierungseffizienz aufweist
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden anhand der nachfolgenden Figurenbeschreibung naher erläutert
Figur 1 zeigt in einer schematischen Darstellung eine elektrolytische Zelle Figur 2 zeigt in einer schematischen Darstellung ein erstes Ausfuhrungsbeispiel einer Einrichtung gemäß der Erfindung zur Durchfuhrung des erfindungsgemaßen Verfahrens
Figur 3 zeigt schematisch den alternativen Aufbau eines Diaphragmas Figur 4 zeigt schematisch einen weiteren alternativen Aufbau des Diaphragmas mit einer Wasserentnahme längs dem Diaphragma
Figur 4a zeigt schematisch einen Aufbau des Diaphragmas mit einer Wasserentnahme quer zum Diaphragma
Figur 5 zeigt für den kontinuierlichen Betrieb geeignetes Ausfuhrungsbeispiel Figur 6 zeigt Details eines weiteren Ausfuhrungsbeispieis in schematischer Darstellung
Da die weiteren Ausfuhrungen sich standig auf Begriffe der Elektrolyse beziehen, werden zunächst einige Grundbegriffe der Elektrolyse wiederholt
Unter einer elektrolytischen Zelle (siehe Fig 1) versteht man ein System, in dem zwei Elektroden A K über einen Elektrolyten (hier Wasser) leitend verbunden sind Durch Anlegen einer externen Spannungsquelle 1 an die Elektroden werden elektrochemi- sehe Reaktionen an den Elektroden ermöglicht bzw wird ein Stromfluß durch den Elektrolyten bewirkt
Legt man an die Elektroden A und K eine elektrische Spannung von mindestens 1 23 Volt an (theoretischer Mindestwert für die Wasserzersetzung), so laufen zwischen den Elektroden und dem Wasser folgende Reaktionen ab
Kathode 2 H20 + 2 e → H2 + 2 OH (i) bzw
2 H+ +2 e → H2 Anode 2 H20 - 4e → 02 + 4 H+ (u) bzw
4 OH - 4e → 2 H20 + 02
D h an der Kathode wird neben Wasserstoff OH erzeugt bzw H+ zu H2 reduziert, an der Anode neben Sauerstoff H+ erzeugt bzw OH zu 02 oxydiert
Um Saure (H*-lonen) oder Lauge (OH -Ionen) zu erhalten, muß man verhindern, daß die getrennt an den jeweiligen Elektroden erzeugten OH - und H+-lonen zur gegenüberliegenden Elektrode wandern oder im Wasservolumen zu H20 rekombinieren
Dies kann durch folgende Transportprozesse geschehen
■ Wanderung aufgrund des vorhandenen elektrischen Feldes
■ Wanderung aufgrund der Konzentrantionsunterschiede (Diffusion) ■ Wanderung aufgrund von Konvektion oder vorherrschenden Strömungen
Da anfänglich die Konzentration von H+ und OH sehr klein sind (verglichen zur Konzentration der sonstigen im Wasser gelosten Ionen) ist der Beitrag zum Konzen- trationsausgleich aufgrund des vorhandenen elektrischen Feldes und aufgrund der Diffusion vernachlassigbar Nicht vemachlassigbar ist der konvektive Transport
Um den konvektiven Transport zu verhindern bzw zu vermindern, genügt im einfachsten Fall eine Konvektionsbarnere - ein Diaphragma 2 Durch Einfugen des Diaphrag- mas zwischen Anode und Kathode werden zwei Räume geschaffen - ein Kathodenraum 4 und ein Anodenraum 3
Das Diaphragma muß den konvektiven Transport der Ionen verhindern muß aber andererseits so beschaffen sein, daß bei angelegter Spannung ein Stromfluß zwischen Anode und Kathode im Elektrolyten möglich ist Wird namlich an der Kathode ein OH - Ion erzeugt, muß aus Gründen der Ladungsneutra tat entweder aus dem Anodenraum durch das Diaphragma ein Kation als Gegenion in den Kathodenraum transportiert werden oder ein Anion aus dem Kathodenraum in den Anodenraum An der Anode kann durch die Erzeugung eines H+-lons der Ladungsausgleich im Anodenraum erreicht werden D h aber auch, daß für eine effektive Laugen- bzw Saureproduktion andere Kationen außer H+ bzw andere Anionen außer OH im Elektrolyten vorhanden sein müssen (Leitsalz)
Die Molantat des Leitsalzes bestimmt letztlich die erreichbare Laugen- bzw Saure- konzentration Solange namlich die Konzentration der OH - und H+-lonen im Verhältnis zu den Ionen des Leitsalzes gering sind, dominieren die Ionen des Leitsalzes den Stromtransport über das Diaphragma Kommen die Konzentrationen der OH -Ionen und H+-lonen in die Größenordnung der lonenkonzentrationen des Leitsalzes, so beginnen diese den Stromtransport durch das Diaphragma zu dominieren Die Konzentration der OH im Kathodenraum bzw H+-lonen im Anodenraum kann bei Erreicnen dieser Grenze nicht mehr weiter gesteigert werden, da Rekombinationsprozesse die Bildungsprozesse aufheben Will man bei Trinkwasseranwendungen als Leitsalz die natürlichen Wassennhaitsstoffe verwenden, so begrenzen deren maximalen Konzentrationen die maximale Laugenbzw Saurekonzentration, die man mit Elektrolyse herstellen kann Trinkwasser haben lonengehalte typisch kleiner als 102 Mol/I, damit kann man, bei gleich großen Volumina von Anoden- und Kathodenrau, im Anodenraum bestenfalls eine H+-Konzentratιon entsprechend einem pH-Wert von 2 erreichen, im Kathodenraum eine OH~Konzentra- tion entsprechend einem pH-Wert von 12
Fig 2 zeigt das Schema einer elektrolytischen Zelle zur Entcarbonisierung von Wasser gemäß der Erfindung, wobei Anode A, Kathode K und Diaphragma 2 zylindrisch geformt sind und sich in einem geschlossenen Behalter 5 befinden
Als Anoden dürfen im Trinkwasserbereich nur Materialien verwendet werden deren Reaktionsprodukte im Wasser nach Art und Konzentration gesundheitlich unbedenk- lieh sind Es eignen sich Graphit-, Edelmetall- mit Edelmetall oder mit Metalloxiden besenichtete Titanium-oder Magnetitanoden Als Kathodenmatenal eignet sich im besonderen ein Streckmetall oder Gewebe aus rostfreiem Stahl Ein Streckmetall oder Gewebe ist deshalb besonders gut geeignet, da die an der Kathode gebildeten OH- Ionen sich ungehindert durch Konvektion (und Ruhren mittels eines Ruhrers 6) im Kathodenraum verteilen können
Das Diaphragma 2 kann aus Ton, Keramik oder Kunststoff bestehen, aber auch Memoranen, insbesondere lonenselektive Membranen können verwendet werden Für spezielle Wasseraufbereitungsmodi (Unterdrückung von Chlorgasbildung, pH-Wert- Absenkung) sind mehrschichtig aufgebaute Diaphragmen geeignet, beispielsweise ein Diaphragma bestehend aus einer Schuttung von feinkornigem Kationenaustauscher- harz zwischen Membranen
Im diskontinuierlichen Betrieb kann wahrend der Elektrolyse und Absedimentation des Kalks (Calciumcarbonates) kein Wasser aus dem Behalter 5 entnommen werden Will man öamit eine Kontinuierliche Wasserversorgung mit entcarbonisiertem Wasser, dann ist es zweckmäßig eine Doppelanlage aufzubauen Bei chloπdarmen Gewässern ([Cl"] < 5 mg/1) kann man wie folgt vorgehen
Das zu entcarbonisierende Rohwasser wird über den Zulauf 7 eingelassen und der Behalter 5 aufgefüllt. Das Ventil 8 im Zulauf 7 wird geschlossen und die Gleichspan- nung über 1 23 Volt (beispielsweise 24 V) wird an die Elektroden A, K angelegt. An der Anode A wird das Wasser zu H+ und 02 zerlegt, an der Kathode K wird OH" und H2 gebildet Das gebildete OH' soll sich möglichst gleichmäßig im Kathodenraum verteilen, ein im Behalter 5 eingebauter Ruhrer 6 unterstutzt die Homogenisierung. Der im Anodenraum 3 gebildete Sauerstoff muß über ein automatisches Entluftungsventii 9 entfernt werden ebenso wird der im Kathodenraum 4 gebildete Wasserstoff über ein automatisches Entluftungsventii 9a entfernt
Die pH-Wertanhebung (OH -lonen im Kathodenraum 4) bewirkt die Ausfallung von Kalk, in größeren Konzentrationen (mehr als 10 mg/l) vorhandene Eisen- oder Manganionen werden ebenfalls in Form der entsprechenden Carbonate ausgefallt Der ausgefällte Kalk lagert sich als Kalkschlamm am schrägen Boden 10 des Behalters ab Der Kalkschlamm muß regelmäßig durch Abschlämmen entfernt werden (durch Offnen des Abschlammventils 11 in Leitung 12 und Ausschwemmen des Behalters) - andernfalls können sich im Kalkschlamm anaerobe Bakterien vermehren, die beispielsweise Sulfate im Wasser zu H2S reduzieren können - schon kleinste Mengen von H2S sind geruchlich wahrnehmbar
Die Dauer der Elektrolyse und die für die Absedimentation des Kalks notwendige Verweildauer hangt von der Wasserzusammensetzung, vom Elektrolysestrom (bestimmt die OH-Produktion) und dem Wasservolumen im Kathodenraum ab und kann für das jeweilige Wasser einmal eingestellt werden Es besteht aber auch die Möglichkeit, die Dauer der Elektrolyse und die Elektrolysespannung in Abhängigkeit von geeigneten prozeßbestimmenden Parametern zu verandern Dazu kann beispielsweise eine Regeleinrichtung 13 vorgesehen sein, die über ein Voltmeter 14 die Elektroiysespan- nung und über ein Amperemeter 15 den Elektrolysestrom als Eingangsgroßen empfangt Alternativ oder zusatzlich kann ein Sensor 16 vorgesehen sein, der den pH- Wert, die Trübung und/oder die Leitfähigkeit im Kathodenraum 4 erfaßt und der Regeleinrichtung 13 zufuhrt In Abhängigkeit von den Eingangsgroßen kann dann auf der Leitung 17 ein Ausgangssingal erzeugt werden, das die Spannung der
Spannungsquelle 1 verändert bzw an- und abschaltet
Die Wasserentnahme aus dem Behalter 5 erfolgt, indem man das Zulaufventil 8 öffnet Erfolgt der Zulauf in der Nahe des Behalterbodens und der Ablauf am Deckel, so ist durch die Schichtung Rohrwasser-behandeltes Wasser, bis zur Entnahme von ca % des Behalteπnhaltes sichergestellt, daß man lediglich behandeltes, entcarbonisiert.es Wasser entnimmt
Will man zusätzlich bei der Wasserentnahme den pH-Wert des über die Entnahme- leitung 18 entnommenen Wassers absenken, so empfiehlt es sich, saures Wasser aus dem Anodenraum 3 über ein Mischventil 19 hinzuzumischen Ist für die Anwendung allein ein möglichst geringes Kalkabscheidepotential wichtig und sind Korrosions- probleme bei niedrigen pH-Werten bei dem verwendeten Rohr- bzw Behaltermaterial in der nachfolgenden Installation nicht zu erwarten, so empfiehlt sich eine Wasserentnahme direkt aus dem Anodenraum - in diesem Fall sollte ein Diaphragma verwendet werden, das entweder grobporig ist (geringer Stromungswiderstand) oder am Boden eine offene Verbindung zwischen Kathoden- und Anodenraum aufweist (Öffnung oder besser eine Leitung mit einem Rückschlagventil 21
Vor dem Start einer neuerlichen Elektrolyse empfiehlt sich die Spulung des Anodenraumes über die Anodenraumablaßleitung 20
Bei chloπdhaltigen Gewässern [Cl ] > 5 mg/l ist zu berücksichtigen, daß sich an der Anode A Chlor als Konkurrenzreaktion zur Wasserzersetzung bildet Bei langer andauernder Elektrolyse und bei höheren Chloridgehalten kann es zu unerwünschten Chlorgaskonzentrationen im Anodenraum 3 kommen
Man hat folgende Möglichkeiten, um unerwünschte Chlorgaskonzentrationen zu ver- meiden
a) Mehrmaliges Ausspulen des Anodenraumes 3 wahrend der elektrolytischen Behandlung des Wassers (durch Offnen des Anodenraumablaßleitungsventils 20) Häufigkeit und Dauer der Spulung ist abhangig von Chloπdgehait, Elektrolysestrom und Anodenraumvolumen
Ein mehrmaliges Spulen des Anodenraumes 3 hat den weiteren Vorteil, daß die im Wasser des Anodenraums vorhandenen Anionen, die als Gegenionen aus dem Kathodenraum 4 in den Anodenraum gewandert sind, mit ausgeschwemmt werden
Auf diese Weise laßt sich auch die Konzentration störender Anionen im Wasser (beispielsweise Nitrate) deutlich reduzieren
b) Zusätzlich die Verwendung einer gasundurchlässigen, hydrophoben Membran als Diaphragma 2, um die Diffusion von Chlorgas in den Kathodenraum 4 zu unterdrucken
c) Die Verwendung einer Kationenaustauschmembran als Diaphragma 2, die die Wanderung von Anionen (und damit Chlondionen) aus dem Kathodenraum 4 in den Anodenraum 3 unterbindet Es können dann lediglich die wahrend der Befullung des Reaktors in den Anodenraum 3 gelangten Chlondionen zu Chlorgas oxydiert werden Eine einmalige Spulung des Anodenraumes 3 am Ende der Elektrolyse genügt, um das entstandene Chlorgas zu entfernen
d) Durch eine Kombination der Maßnahmen a) bis c)
Obige Maßnahmen zur Unterdrückung unerwünschter Chlorgaskonzentrationen verhindern aber gleichzeitig, daß man im Anodenraum eine ausreichende Konzentration von H+-lonen zur Verfugung hat, um durch Zumischen den pH-Wert des entcarboni- sierten Wassers abzusenken
Diesen Nachteil kann man begegnen, wenn man eine Vorrichtung in der Anordnung integriert, die die wahrend der Elektrolyse erzeugen H+-lonen speichert und die sicherstellt, daß diese nicht wahrend einer Spulung wieder verlorengeht Als ein solcher Speicher wirken beispielsweise schwachsaure Kationenaustauscherharze bzw Kationenaustauscnerv ese
Im besonderen empfiehlt sich eine Integration der Harze bzw des Vlieses in dem Diaphragma Im einfachsten Fall verwendet man als Diaphragma 2 eine ca 1 bis 3 cm starke Schuttung aus feinkornigen schwachsauren Kationenaustauscherharzen 22, beispielsweise dadurch realisiert, daß die Harze in Filterstrumpfe 23 eingefüllt werden Alternativ verwendet man ein schwachsaures Kationenaustauscherv es, das von einem Stutzgewebe mechanisch stabilisiert wird Das Kationenaustauschervhes bzw das Vlies muß zuvor von der sogenannten H-Form in eine Ca-Form (auch Mg-Form ist geeignet) zumindest teilweise umgewandelt werden, d h mit Calciumionen beladen sein Denn erst dann hat dieses Harz Vlies die Eigenschaft, die Wanderung der an der Anode gebildeten H+-lonen in den Kathodenraum wirkungsvoll zu unterbinden Das Harz/Vlies bindet die H+-lonen im Austausch gegen Calciumionen (ein Harz Vlies in der H*-Form kann keine H+-lonen binden, folglich wandern die H+-lonen ungehindert durch das Harzbett) Auf diese Weise wird einerseits die Wanderung der H+-lonen wirkungsvoll verhindert, andererseits wird durch die Elektrolyse das lonenaus- tauscherharz bzw Vlies teilweise regeneriert, d h mit H+-lonen beladen (typischerweise weniger als 5% der theoretischen Kapazität wahrend einer Behandlungsphase) Dieser H+-Vorrat an den Harzen laßt sich für die pH-Wertabsenkung nutzen
Wahrend der Elektrolyse wird der Anodenraum 3 mehrmals gespult, um die Bildung unerwünschter Chlorgaskonzentrationen zu verhindern Die Wasserentnahme erfolgt direkt aus dem Anodenraum 3, wobei das Wasser aus dem Kathodenraum 4 durch das Harzbett 22 durchgeführt wird Im Harzbett 22 werden im geringen Maß Kationen aus dem Wasser gegen H+-lonen am Harz abgetauscht, die auf diese Weise frei- werdenden H+-lonen senken den pH-Wert des Wassers
Mit der Schuttdicke, dem Volumen des Harzes, der Abstimmung Wasservolumen im Kathodenraum und Elektrolyseleistung laßt sich der pH-Wert des entnommenen Wassers in einem weiten Bereich einstellen
Ein verbesserter Aufbau eines Diaphragmas 2, das für die Anwendung in chloπdhalti- gen Wassern geeignet ist und gleichzeitig eine pH-Wertabsenkung erlaubt, schaut wie folgt aus (Fig 4) Zunächst wird erwähnt, daß ähnlich wie in Fig 3, wo der Behalter 5 samt Leitungen nicht dargestellt ist, auch in Fig 4 dieser Behalter 5 nicht dargestellt ist Ebenso ist die natürlich vorhandene Kathode nicht gezeigt Diese Teile können z B so aussehen wie
Das Harzbett 22' wird links und rechts von Membranen 23' begrenzt, das Harzbett ist damit sowohl vom Anodenraum 3 als auch vom Kathodenraum 4 getrennt Die anodenseitige Membran 23' ist vorzugsweise eine Kationenaustauschmembran, um die Wanderung von Chlondionen in den Anodenraum zu unterdrucken H+-lonen, die im Anodenraum gebildet werden, können durch die anodenseitige Membran hindurchtreten und werden über lonenaustausch ans Harz 22' gebunden Die Wasserentnahme erfolgt über eine eigene Leitung 18, sodaß das entnommene Wasser vom Kathodenraum 4 durch das Harzbett hindurchlauft Der Boden 24 ist perforiert Der Anodenraum ist über eine eigene Leitung 20 spulbar
Fig 4a zeigt eine Variation des vorher beschriebenen Diaphragmas Mit der Hohe der Harzschuttung steigt der hydraulische Widerstand der Schuttung Da die Membran prinzipiell Wasser-durchgangig sein müssen, kann es bei höheren Schuttungen dazu kommen, daß der Stromungswiderstand der Membran kleiner ist, als der der Schuttung Ein wesentlicher Teil des aus dem Kathodenraum Richtung Wasserent- nahmeleitung 18 stromende Wasser gelangt dann nicht mehr über die am Boden 24 befindliche Perforation in das Harzbett, sondern durch die kathodenseitige Membran Dadurch kann es zur Verlegung der Membran und zu einem Undefinierten Durch- strömen des Harzbettes kommen
Um dies zu verhindern, ist eine Stromungsfuhrung quer zum Harzbett empfehlenswert Dazu bedarf es eines Wassersammeikanals 18a zwischen dem Harzbett und der anodenseitigen Membran Der Wassersammelkanal mundet in die Entnahmeleitung 18 Als kathodenseitige Membran empfiehlt sich beispielsweise ein Filterstrumpf oder ein Filtersegment aus gesintertem Kunststoff (im Trinkwasserbereich sollte die Porengroße großer als 80 μm sein) Alternativ zum Harzbett kann bei diesem Diaphragmaaufbau auch ein Kationenaustauschervhes verwendet werden Die zuletzt beschriebenen Diaphragmen sind auch für den Einsatz in chloridarmen Gewässern geeignet.
Beim kontinuierlichen Betrieb einer elektrolytischen Entcarbonisierungsanlage wird die Durchflußleistung von dem maximal möglichen Elektrolysestrom limitiert:
Mit einem Elektrolystestrom von 10 Ampere lassen sich beispielsweise pro Stunde ca. 0.4 Mol OH'-Ionen an der Kathode K erzeugen. Wenn man berücksichtigt, daß man für die Entcarbonisierung von einem kalkhaltigen Wasser ca. 1 mmol/l OH' dem Wasser zusetzen muß. dann folgt daraus, daß mane twa 400 Liter pro Stunde mit dieser Elektrolyseleistung aufbereiten kann.
Weiters ist zu beachten, daß die Kalkfällung nicht instantan erfolgt, d.h. man muß eine bestimmte Prozeßdauer einplanen (typischerweise 30 bis 60 Minuten).
Im einfachsten Fall kombiniert man eine Entcarbonisierungsanlage wie in Fig. 2 beschrieben mit einem nachgeschalteten Filter 25, der den Kalkausfall aus der Lösung beschleunigt (durch vorhandenes Kalkpulver oder spezieile Pellets) und den ausfallen- den Kalk aus der Lösung filtriert. Aufbau, Bedienung und Wartung eines solchen Filters findet man beispielsweise in der DIN 19605 beschrieben.
Die Prozeßdauer von 30 bis 60 Minuten definiert bei einer Behandlungsleistung von 400 Liter pro Stunde ein Volumen von Entcarbonisierungsanlage und Filter von 200 bis 400 Liter.
Im allgemeinen wird in einem Haushalt nicht kontinuierlich Wasser entnommen; wenn man sich auf übliche Entnahmemengen und Entnahmehäufigkeiten beziehen kann, so lassen sich auch wesentlich kleinere Anlagen dimensionieren (für ein Einfamilienhaus mit 4 Personen ca. 50 Liter); gegebenenfalls kann auf die Verwendung eines Filters 25 verzichtet werden.
Eine gleichzeitige pH-Wertabsenkung ist bei chloridfreien Wässern durch einfaches Zumischen von Wasser aus dem Anodenraum 3 möglich. Bei geringeren Chlorid- konzentrationen muß man sich überlegen, ob die pro Zeiteinheit erzeugte und dem durchfließenden Wasser zugesetzte Chlorgasmenge die gesetzlichen Grenzwerte überschreiten kann.
Wenn man eine Chlorgasbelastung gänzlich ausschließen will, muß man den Anodenraum 3 über eine Membran vom Kathodenraum 4 abschließen und eigens durchspulen.
Zur pH-Wertabsenkung kann wieder ein Diaphragma 2 aus einem schachsauren Kationenaustauscherharzbett eingesetzt werden (vgl. Fig 4), durch das filtriertes Wasser bei der Entnahme geführt wird. Sind Volumen des Kathodenraumes 4 und die durchschnittliche Durchfluß- bzw. Entnahmemenge aufeinander abgestimmt, so kann man gegebenenfalls auf die Filtration verzichten.
Im besonderen eignet sich für diese Betriebsweise ein Diaphragma aus Kationenaustauscherharz, das beidseitig von einer Kationenaustauschermembran begrenzt ist.
Folgende Verfahrensprinzipien lassen sich bei einem solchen Diaphragma kombinieren (vgl. Fig. 6), wobei dort die Anodenraumablaßleitung 20' als Rohr im Rohr 26 koaxial angeordnet ist. (Das Wasser strömt aus dem Kathodenraum 4 durch das Harz 22' und das Rohr 26 aus).
i) Kalkfallung und damit Entcarbonisierung im Kathodenraum 4
Durch die Anhebung des pH-Wertes (O H~~lonenerzeugung an der Kathode K) im Kathodenraum 4 wird homogene Keimbildung induziert und Kalk fallt aus.
li) Gleichzeitig lonentausch. Regeneration der Harze und Transport von Ca2+-lonen in den Kathodenraum.
Es kommt beim kontinuierlichen Betrieb im Harzbett zu einem Gleichgewicht zwischen folgenden Prozessen:
■ Bindung von Kationen, insbesondere Ca2+-lonen, im Austausch gegen H+-lonen an das Harz 22'. ■ Regeneration des Harzes 22' durch im Anodenraum 3 gebildete H+-lonen bei gleichzeitiger Freisetzung von Ca2+-lonen.
■ Wanderung der Ca2+-lonen aus dem Harzbett 22' durch die äußere Kationenaustauschermembran 23' in den Kathodenraum 4
Auf diese Weise laßt sich der Wirkungsgrad der Entcarbonisierung steigern, da ein Teil der nicht gefällten Ca2+-lonen in den Kathodenraum kontinuierlich zuruckbefordert wird Der Wirkungsgrad und der sich einstellende pH-Wert lassen sich über die Schutthohe und Schuttdicke des Harzbettes und über den Elektrolysestrom steuern
Die beschriebene Erfindung und Vorrichtung ist auch geeignet, Saatkristalle zur Anwendung der Seedingtechnik zu erzeugen. Für die Seedingtechnik sind besonders Kalkkristalle kleiner als 5 μm geeignet, da die Setzgeschwindigkeit dieser Kristalle klein genug ist, um diese Kristalle vom Entstehungsort ins gesamte zu schutzende Installa- tionssystem zu tragen Überall wo das Wasser übersättigt ist insbesondere in Warmwassererzeugern ist das Wachstum dieser Kristalle ein Konkurrenzprozeß zur Kaikabscheidung an der Wand
Für die Erzeugung von Saatkristallen ist es zweckmäßig, einen Teilstrom des zu behandelnden Wassers in eine erfindungsgemaße elektrolytische Entcarbonisierungs- zeile zu leiten Durch geeignete Prozeßfuhrung (hoher pH-Wert im Kathodenraum und eine kurze mittlere Verweildauer des Wassers im Kathodenraum) gelingt es, Kalkkristalle der gewünschten Große zu erzeugen. Der Inhalt des Kathodenraumes wird direkt dem zu behandelnden Wasserstrom zugesetzt Der Zeitpunkt der Entnahme aus dem Kathodenraum wird beispielsweise durch eine Vorrichtung zur Partikelgroßenmessung, insbesondere einen Trubungssensor gesteuert
Die Erfindung ist selbstverständlich nicht auf die dargestellten Ausfuhrungsbeispiele beschrankt. Beispielsweise können auch mehrere Anordnungen und/oder Kathoden vorhanden sein Es ist auch möglich, einen Teil der Behalterwand als Anode oder Kathode auszubilden

Claims

Patentansprüche
Verfahren zum Entcarbonisieren von Brauch- oder Trinkwasser, bei dem das Wasser in einen Behalter gefüllt wird, in dem eine Kathode und eine Anode angeordnet sind, an weiche eine elektrische Gleichspannung angelegt wird, wobei Carbonat ausfallt, worauf entearbonisiertes Wasser als Brauch- oder Trinkwasser aus dem Behalter entnommen wird, dadurch gekennzeichnet, daß im Behalter ein Diaphragma angeordnet wird, das einen die Kathode bem- haltenden Kathodenraum von einem die Anode beinhaltenden Anodenraum trennt, wobei das zu entcarbonsierende Wasser in den Kathodenraum gefüllt und aus diesem entnommen wird, und daß zwischen Kathode und Anode eine über 1 22 Volt hegende Spannung angelegt wird, sodaß sich Wassermolekule an der Kathode unter Bildung von OH -Ionen elektrolytisch zersetzen wobei im Kathodenraum ein basisches Milieu geschaffen wird, in dem Carbonat, insbesondere in Form von Calαumcarbonat (Kalk) und/oder Magnesiumcarbonat, ausfallt
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet daß der pH-Wert des aus dem Kathodenraum stammenden entcarbonisierten Wassers - vorzugsweise auf einen Wert unter 9 - abgesenkt wird bevor es einer Entnahmeleitung zugeführt wird
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß dem aus dem Kathodenraum entnommenen basischen Wasser saures Wasser aus dem
Anodenraum zugemischt wird
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der pH-Wert durch Einhalten einer vorbestimmten Sedimentationszeit, wahrend der keine Wasserentnahme erfolgt, durch Kalkfallung abgesenkt wird
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4 dadurch gekennzeichnet, daß das aus dem Kathodenraum stammende entcarbonisierte Wasser durch ein Kationenaustauschermateπal gefuhrt wird, wobei als Kationenaustauscher- matenal vorzugsweise ein schwachsaures Kationentauscherharz in der Ca-
Form oder Mg-Form verwendet wird
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das aus dem Kathodenraum stammende Wasser über einen Filter gefuhrt wird, der beispielsweise durch Kalkpulver oder Pellets den Kalkausfall beschleunigt und den ausfallenden Kalk zurückhält
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Vermeidung unerwünschter Chlorgaskonzentrationen eine oder mehrere der folgenden Maßnahmen getroffen werden a) Pulsweises oder kontinuierliches Ausspulen des Anodenraumes wahrend der Elektrolyse b) Verwenden einer gasundurchlässigen Membran oder eines Vlieses als Diaphragma oder Bestandteil desselben, die einen gasdichten Abschluß des
Anordenraumes gegenüber dem Kathodenraum bzw Entnahmeraumes herstellen c) Verwenden einer Kationentauschermembran oder eines Kationen- tauscherv eses als Diaphragma oder Bestandteil desselben
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die im Kathodenraum gebildeten Kalkkristalle zumindest teilweise in das an den Behalter anschließende Installationssystem ausgeschwemmt werden
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet daß durch Steuerung vom pH-Wert wahrend der Elektrolyse, Elektrolysedauer und Sedimentations- zeit Kalkknstallkeime kleiner als 5 μm erzeugt werden
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet daß der Zeitpunkt der Entnahme aus dem Kathodenraum in Abhängigkeit von der Partikelgroße der gebildeten Kaikkπstalle bzw in Abhängigkeit von der Trübung oder anderer
Parameter - insbesondere der Leitfähigkeit und/oder des pH-Wertes - des
Wassers im Kathodenraum festgelegt wird Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, gekennzeichnet durch Aufwirbeln de absedimentierten Kristallkeime vom Boden des Behalters in den Kathodenraum, beispielsweise durch Ruhren, Ultraschallbeschallung oder Umwälzung
Verfahren nach Anspruch 1 - 11 , dadurch gekennzeichnet, daß das Diaphragma wahrend der Elektrolyse als effizienter H+-Blocker wirkt, indem es teilweise mit H+-lonen beladen wird, wobei das Diaphragma wahrend der Wasserentnahme als Quelle von H+-lonen zur pH-Wertabsenkung dient
Einrichtung zum Entcarbonisieren von Brauch- oder Trinkwasser, insbesondere zum Durchfuhren eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 12, mit einem Behalter, in dem eine Kathode und eine Anode angeordnet sind, an welche eine Gleichspannung angelegt ist, dadurch gekennzeichnet, daß im
Behalter ein Diaphragma angeordnet ist, das einer die Kathode beinhaltenden Kathodenraum von einem die Anode beinhaltenden Anodenraum trennt, und daß eine Einrichtung zum Anlegen einer über 1 ,22 Volt hegenden Spannung zwischen Kathode und Anode vorgesehen ist
Einrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet daß die Zulaufleitung direkt in den Kathodenraum mundet vorzugsweise in dessen unteren Bereich
Einrichtung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Ent- nahmeieitung mit dem Kathodenraum in Verbindung steht
Einrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Entnahmeleitung direkt vom Kathodenraum - vorzugsweise von dessen oberem Bereich - ausgeht
Einrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Entnahmeleitung und dem Kathodenraum ein Kationentauscher angeordnet ist, durch den Wasser aus dem Kathodenraum ausströmt
18. Einrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Kationenaustauscher zwischen Anode und Kathode angeordnet ist und zwischen Kationenaustauscher und Anode ein freier Entnahmeraum ausgebildet ist, wobei der Entnahmeraum gegen den Anordenraum hin vorzugsweise durch eine gasdichte Membran abgegrenzt ist.
19 Einrichtung nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, daß der Kationentauscher ein schwachsaures Kationentauscherharz oder Kationen- tauschen lies in der Ca-Form oder Mg-Form ist.
20 Einrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß das Diaphragma von einem Kationentauscher gebildet ist
21 Einrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß der Kationentauscher zum Anodenraum hin von einer Kationentauschermem- bran zumindest teilweise abgedeckt ist, wobei vorzugsweise ein Wasser- sammelkanal (18a) zwischen dem Kationentauscher und der Kationen- tauschermembran angeordnet ist
22 Einrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 21 , dadurch gekennzeichnet, daß der Kationentauscher zum Kathodenraum hin von einer Kationen- tauschermembran abgedeckt ist.
23. Einrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 22, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum Absenken des pH-Wertes des aus dem Kathodenraum stammenden Wassers
24 Einrichtung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Absenken des pH-Wertes eine Mischeinrichtung umfaßt, in der aus dem
Anodenraum stammendes Wasser mit aus dem Kathodenraum stammenden Wasser vermischbar ist
25. Einrichtung nach Anspruch 23 und einem der Ansprüche 19 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Absenken des pH-Wertes den Kationentauscher umfaßt, durch den Wasser aus dem Kathodenraum entnehmbar ist.
26. Einrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 25, dadurch gekennzeichnet, daß das Diaphragma den Anodenraum vorzugsweise zylindrisch umgibt und der Kathodenraum außerhalb des Diaphragmas angeordnet ist.
27 Einrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 26, dadurch gekennzeichnet, daß der Anodenraum über ein zum Anodenraum hin öffnendes Rückschlagventil mit dem Kathodenraum in Verbindung steht.
28. Einrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 27, gekennzeichnet durch einen Rührer im Kathodenraum
29. Einrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 28, gekennzeichnet durch einen Filter in einer aus dem Kathodenraum fuhrenden Leitung.
30 Einrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 29, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum Erfassen der aus dem Behalter entnommenen bzw. dem Behalter zugefuhrten Wassermenge.
31 Einrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 30, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum Erfassen des pH-Wertes der Trübung und/oder der Leitfähigkeit im Kathodenraum
32. Einrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 31 , gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum Erfassen des über die Anode und Kathode fließenden Elektrolysestroms
33 Einrichtung nach einem der Ansprüche 30 bis 32, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum Regeln der an der Anode und Kathode anhegenden Spannung und/oder der Dauer des Anlegens dieser Spannung in Abhängigkeit von der erfaßten entnommenen bzw. zugeführten Wassermenge, dem erfaßten pH- Wert im Kathodenraum der erfaßten Leitfähigkeit, der erfaßten Trübung und/oder dem Elektrolysestrom.
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