NL1019698C2

NL1019698C2 - Elektrolyse-inrichting en werkwijze voor het desinfecteren van water in een waterleidingsysteem door middel van de generatie van actief chloor.

Info

Publication number: NL1019698C2
Application number: NL1019698A
Authority: NL
Inventors: Johannes Petrus Paulus Tholen
Original assignee: Johannes Petrus Paulus Tholen
Priority date: 2002-01-04
Filing date: 2002-01-04
Publication date: 2003-07-09
Also published as: CN1615274A; PT1461291E; EP1461291A1; CA2471391C; AU2002362173A1; ES2306806T3; CA2471391A1; WO2003055806A1; ATE394349T1; DE60226495D1; US20050173261A1; US7695606B2; CN1332890C; EP1461291B1

Description

- 1 -5

ELEKTROLYSE-INRICHTING EN WERKWIJZE VOOR HET DESINFECTEREN VAN WATER IN EEN WATERLEIDINGSYSTEEM DOOR MIDDEL VAN DE GENERATIE VAN ACTIEF CHLOOR

10

De onderhavige uitvinding heeft betrekking op een elektrolyse-inrichting voor het desinfecteren van water in een waterleidingsysteem door middel van de generatie van actief chloor, omvattende een elektrolysecel die voorzien 15 is van elektroden waarover een spanningsverschil wordt aangelegd en een generator voor het leveren van het spanningsverschil voor de elektrolysecel, waarbij de generator wordt aangedreven door het water in het waterleidingsysteem.

20 De uitvinding heeft verder betrekking op een werk wijze voor het desinfecteren van water in een waterleidingsysteem door elektrolyse.

Het gebruik van elektrolyse voor het desinfecteren van water is bekend. Meestal wordt hierbij keukenzout 25 (NaCl) elektrochemisch omgezet in chloor en (als bijproduct) loog. Het zout lost op in water waarbij Na+- en Cl~-ionen ontstaan. Als men deze oplossing door een elektrolysecel leidt, terwijl over de elektroden van deze cel een spanning wordt aangelegd, worden aan de anode chloor (Cl2) , 30 zuurstof en waterstofionen gevormd en worden aan de kathode waterstof en hydroxylionen gevormd.

Het aan de anode gevormde chloor kan afhankelijk van de pH ook aanwezig zijn als onderchlorigzuur (HC10) of als hypochloriet (CIO'). Opgelost chloor, onderchlorigzuur 35 en hypochloriet noemt men "vrij chloor", "vrij werkzaam chloor" of "actief chloor". Bij gebruik van (gewoon) leidingwater met een pH van ca. 7 tot 8 en een kleine concen- - 2 - tratie NaCl zal er natriumhypochloriet worden gevormd. De te vormen hoeveelheid vrij chloor zal afhangen van de gewenste concentratie en de te behandelen hoeveelheid water.

5 Gebruikelijke installaties voor het desinfecteren van water bestaan uit een elektrolysecel, een gelijkrichter om de netspanning om te zetten in gelijkspanning en een regeling om de aan de elektroden te leveren elektrische stroom aan te passen aan het waterdebiet.

10 Het Nederlandse octrooi 1012794 beschrijft een elektrolyse-inrichting voor een waterleidingsysteem omvattende een elektrolysecel die is voorzien van elektroden waarover een spanningsverschil wordt aangelegd, waarbij het spanningsverschil voor de elektrolysecel ten minste gedeel-15 telijk wordt geleverd door een generator zoals een turbine, bijvoorbeeld een gelijkstroomturbine, die wordt aangedreven door het water in het leidingsysteem. De elektrolysecel en de generator van de elektrolyse-inrichting van NL 1012794 kunnen in één behuizing zijn ondergebracht.

20 In de inrichting van NL 1012794 is de elektrolyse cel direct in de vloeistofstroom geplaatst. Een mogelijk nadeel van deze uitvoering is dat in drinkwater in het algemeen te weinig chloride aanwezig zal zijn om daadwerkelijk hypochloriet te vormen. Volgens de beschrijving kunnen 25 ook bij afwezigheid van chloor echter actieve verbindingen worden gevormd die voor desinfectie kunnen zorgen. Deze verbindingen zijn met name diverse zuurstofvrije radicalen. In de praktijk is gebleken dat voor de vorming van zuurstof radicalen niet alle elektrodenmaterialen geschikt zijn, 3 0 maar dat een zeer speciaal en kostbaar soort elektrode nodig is om de vorming van zuurstof te onderdrukken. Een ander nadeel dat optreedt als onvoldoende chloride aanwezig is, is dat de werking van de inrichting alleen kan worden aangetoond door daadwerkelijk testen op water met bacteriën 35 uit te voeren en te kijken naar de afdoodfactor.

Volgens de onderhavige uitvinding worden bovengenoemde nadelen opgeheven door slechts een gedeelte van de

J

- 3 - waterstroom door een elektrolysecel te leiden en ten minste een gedeelte van de voeding van de elektrolysecel te leiden door een zoutdoseerinrichting de een verbinding bevat die chloride-ionen kan leveren.

5 De onderhavige uitvinding voorziet in een elektro lyse -inrichting voor het desinfecteren van water in een waterleidingsysteem door middel van de generatie van actief chloor, omvattende een elektrolysecel die is voorzien van elektroden waarover een spanningsverschil wordt aangelegd, 10 een generator voor het leveren van het spanningsverschil voor de elektrolysecel, welke generator wordt aangedreven door het water in het waterleidingsysteem, met het kenmerk, dat de inrichting verder omvat een toevoerleiding voor de elektrolysecel die op het waterleidingsysteem is aangeslo-15 ten en die een gedeelte van de waterstroom in het waterleidingsysteem naar de elektrolysecel voert, een afvoerleiding voor de elektrolysecel die op het waterleidingsysteem is aangesloten stroomafwaarts van de plaats waar de toevoerleiding voor de elektrolysecel op het waterleidingsysteem 2 0 is aangesloten en die het in de elektrolysecel behandelde water naar het waterleidingsysteem afvoert, een zoutdoseer-inrichting die een verbinding bevat die chloride-ionen kan leveren, en die zodanig met de toevoerleiding voor de elektrolysecel is verbonden dat ten minste een gedeelte van 25 het water in de toevoerleiding voor de elektrolysecel door de zoutdoseerinrichting wordt geleid voor het toevoeren van chloride-ionen aan het water dat in de elektrolysecel wordt behandeld.

De onderhavige uitvinding heeft verder betrekking 3 0 op een werkwijze voor het desinfecteren van water in een waterleidingsysteem door middel van de generatie van actief chloor met behulp van een elektrolyse-inrichting omvattende een elektrolysecel die is voorzien van elektroden waarover een spanningsverschil wordt aangelegd, een generator voor 35 het leveren van het spanningsverschil voor de elektrolysecel, waarbij de generator wordt aangedreven door het water in het waterleidingsysteem, waarbij men een gedeelte van i o b: :.

- 4 - het water in het waterleidingsysteem aftakt om een voeding te vormen voor de elektrolysecel, ten minste een gedeelte van de voeding voor de elektrolysecel door een zoutdoseer-inrichting leidt die een verbinding bevat die chloride-5 ionen kan leveren, en vervolgens samenvoegt met het andere gedeelte van de voeding voor de elektrolysecel, de chloride -ionen bevattende voeding voor de elektrolysecel elektro-lyseert in de elektrolysecel en vervolgens naar het waterleidingsysteem terugvoert.

10 Door slechts een gedeelte van het water in het waterleidingsysteem door een elektrolysecel te leiden en ten minste een gedeelte van de voeding voor de elektrolysecel door een zoutdoseerinrichting te leiden is de chlori-deconcentratie voldoende hoog voor de vorming van actief 15 chloor in de cel, en levert de inrichting van de uitvinding voldoende actief chloor voor de desinfectie van water in het waterleidingsysteem, terwijl er nauwelijks sprake is van een toeneming van het zoutgehalte van het water in de hoofdstroom.

20 Bij de onderhavige uitvinding is de desinfectie gebaseerd op actief chloor. De concentratie aan actief chloor kan op eenvoudige wijze en met standaardapparatuur worden bepaald. Het meten van de concentratie van actief chloor is een gebruikelijke en geaccepteerde methode om 25 vast te stellen of in voldoende mate gedesinfecteerd wordt. Bij andere actieve species zijn voor het bepalen van de mate van desinfectie ingewikkelder methoden als het meten van het aantal koloniën legionellabacteriën of andere bacteriën.

3 0 In de inrichting van de uitvinding worden bij voorkeur verbindingen gebruikt die aan water chloride-ionen kunnen leveren zodat bij oxidatie actief chloor wordt gevormd. De vakman zal inzien dat de onderhavige uitvinding ook bruikbaar is voor verbindingen die aan het water 35 stoffen afgeven die door elektrolyse geoxideerd kunnen worden tot andere actieve oxidanten dan chloor.

> r - 5 -

Het is bekend dat in waterleidingen bepaalde schadelijke organismen zich bevinden in en zijn afgeschermd door een zogenaamde biofilm. Om deze organismen te verwijderen zijn vaak hoge chloordoseringen vereist. Het verdient 5 dan aanbeveling de waterleiding eerst grondig te desinfecteren, waarna met behulp van de onderhavige inrichting de groei van biofilm kan worden voorkomen.

Volgens een voorkeursuitvoeringsvorm van de uitvinding omvat de inrichting verder een toevoerleiding 10 voor de zoutdoseerinrichting die op de toevoerleiding voor de elektrolysecel is aangesloten en die een gedeelte van het water in de toevoerleiding voor de elektrolysecel aan de zoutdoseerinrichting toevoert, en een afvoerleiding voor de zoutdoseerinrichting die op de toevoerleiding voor de 15 elektrolysecel is aangesloten stroomafwaarts van de plaats waar de toevoerleiding voor de zoutdoseerinrichting is aangesloten en die het chloride-ionen bevattende water uit de zoutdoseerinrichting naar de toevoerleiding voor de elektrolysecel voert.

2 0 In het algemeen zal het voldoende zijn als slechts een klein gedeelte van de voeding van de elektrolysecel door de zoutdoseerinrichting wordt geleid.

De hoeveelheden water die rechtstreeks naar de elektrolysecel gaan en door de zoutdoseerinrichting kunnen 25 worden geleid, kunnen eenvoudig worden ingesteld door vernauwingen (orifices) in de leidingen aan te brengen. Er kan ook gebruik worden gemaakt van regelafsluiters, bijvoorbeeld kranen met schroefnaalden.

De generator wordt bij voorkeur stroomafwaarts van 3 0 de plaats waar de toevoerleiding voor de elektrolysecel op het waterleidingsysteem is aangesloten, en stroomopwaarts van de plaats waar de afvoerleiding van de elektrolysecel op het waterleidingsysteem is aangesloten, in het waterlei-dingsysteem opgenomen. Door deze plaatsing van de generator 35 zal over de generator een geringe drukval van enkele mwk optreden waardoor het mogelijk wordt de waterstroom die door de elektrolysecel zal lopen te generen. Het is evenwel - 6 - mogelijk de generator elders in het waterleidingsysteem op te nemen. Dan zullen echter maatregelen genomen moeten worden om te zorgen voor een voldoende stroom door de elektrolysecel, bijvoorbeeld door het aanbrengen van een 5 vernauwing of regelkraan in de hoofdleiding.

De zoutdoseerinrichting dient zodanig uitgevoerd te zijn dat hevelwerking, terugslag en gedeeltelijke diffusie worden voorkomen. Dit kan bijvoorbeeld door eenvoudige terugslagklepjes in toe- en afvoer te plaatsen.

10 Een voorbeeld van een bruikbare zoutdoseerinrich ting is het huis van een kaarsfilter. Daarbij wordt het water van boven aan een vat toegevoerd en via een binnenpijp vanaf de onderzijde weer via de bovenzijde afgevoerd. Onderin het vat bevinden zich brokken zout, zodat de 15 oplossing oververzadigd is. Door het hogere soortelijke gewicht van het zoute water zal dit onderin het vat blijven, dus bij de ingang van de af voer. Het binnenkomende water zal via verdringing voor de afvoer van zout zorgen,

Een voordeel van de inrichting van de uitvinding 2 0 ten opzichte van de bekende inrichting is dat er altijd voldoende geleidbaarheid in de waterstroom door de elektrolysecel is, waardoor een veel kleiner elektrodeoppervlakte voldoet. Dankzij deze hoge geleidbaarheid is het mogelijk een membraan tussen de elektroden te plaatsen zonder dat 25 veel extra energie vereist is. Bij het gebruik van een membraan zal er een veel effectiever anodeproces plaatsvinden, omdat de pH laag blijft door de afscherming van kathodereacties. De stroom langs de kathode kan onmiddellijk weer met de anodestroom vermengd worden. Hét is ook 30 mogelijk de kathodestroom geheel of gedeeltelijk verder op in de hoofdleiding, dat wil zeggen na toevoeging van de anodestroom weer toe te voegen. Het is bekend dat de des-infectie door middel van actief chloor het best werkt in het pH-gebied lager dan 6.

35 Met waterleidingsysteem wordt in deze beschrijving elke leiding bedoeld waardoor water wordt geleid of waarin zich water bevindt. Deze leiding kan bijvoorbeeld een

L. >-· O

- 7 - warmwaterleiding in een woning zijn, maar bijvoorbeeld ook een toevoerleiding voor vers of gerecycled water van een zwembad.

Indien de generator van het type is dat een 5 elektrische stroom levert die evenredig is met de hoeveelheid water die er langs stroomt, dan zal de generator, indien het debiet toeneemt en er dus meer water gedesinfecteerd moet worden, meer stroom leveren zodat er meer actief chloor wordt gevormd.

10 Een geschikt type generator is een gelijkstroomge- nerator.

Door eenmalig met een variabele weerstand in de elektrische toevoerleiding naar de elektroden de gewenste stroomsterkte in te stellen kan men de inrichting afstellen 15 op de geleidbaarheid van het water. Daar de variaties van de watersamenstelling in waterleidingsystemen gewoonlijk ondergeschikt zijn is het in algemeen gedurende lange tijd niet nodig de afstelling bij te stellen.

De inrichting van de uitvinding voorziet dus in de 20 eigen stroombehoefte en is zelfregelend.

Indien het water calcium en/of magnesium bevat dan kunnen deze elementen in de vorm van hun zouten neerslaan op de elektroden. Een bekende methode om een dergelijke vervuiling van de elektroden te voorkomen is het regelmatig 25 ompolen van de elektroden.Bij gescheiden verwerking van de anode- en kathodestroom bij toepassing van een membraan-elektrolysecel is ompoling niet mogelijk. In dat geval kan ontharding met een ionenwisselaarhars worden toegepast. De voeding van de elektrolysecel kan met een ionenwisselaar-30 hars worden onthard. Omdat maar een klein gedeelte van de waterstroom door de elektrolysecel wordt gevoerd, is slechts een kleine hoeveelheid ontharderhars nodig.

Een bijzonder eenvoudig tegen lage kosten in te bouwen toestel wordt verkregen als de elektrolysecel en de 35 generator of ten minste het aandrijfgedeelte daarvan in één behuizing worden ondergebracht.

- 8 -

In bijgaande figuur la is schematische een elektrolyse -inrichting volgens een voorkeursuitvoeringsvorm van de onderhavige uitvinding weergegeven. In figuur la verwijst 1 naar een generator 1 die bestaat uit een gelijk-5 stroomdynamo 2 en een schoepenrad 3 dat geplaatst is in de hoofdleiding 4. Een toevoerleiding voor de elektrolysecel 5 wordt vóór de generator 1 afgetakt van de hoofdleiding en voert een gedeelte van het water naar de elektrolysecel 6. Een afvoerleiding voor de elektrolysecel 7 voert het in de 10 elektrolysecel behandelde water terug naar de hoofdleiding 4. Een toevoerleiding voor de zoutdoseerinrichting 8 takt een deel van de stroom door de toevoerleiding voor de elektrolysecel 5 af en voert die naar de zoutdoseerinrichting 9 waarin zich een verzadigde keukenzoutoplossing en 15 vast keukenzout bevinden, en waarin zout in het water opgenomen wordt. Afvoerleiding voor de zoutdoseerinrichting 10 voert het zoutbevattende water terug naar de toevoerleiding voor de elektrolysecel 5. In figuur 1 verwijzen 11 en 12 naar respectievelijk terugslagkleppen en vernauwingen.

2 0 Figuur lb licht een uitvoeringsvorm van de elek trolysecel toe waarbij de elektrolysecel is uitgevoerd als een zogenaamde membraanelektrolysecel. Hierbij wordt een kationselectief membraan 13, bij voorkeur een fluorhalo-geentype membraan zoals NAVION dat bestand is tegen actief 25 chloor, tussen kathode 14a en de anode 14b van de elektrolysecel 6 geplaatst om de anodereacties af te schermen van de kathodereacties.

Indien een membraanelektrolysecel wordt toegepast, kan de kathodestroom zelfs separaat worden afgevoerd en 3 0 worden gemengd met de hoofdstroom. In dat geval moet wel met ionenwisselaarhars worden onthard.

Indien de generator niet voldoende functioneert, of als geen of onvoldoende zout wordt toegevoerd aan het water zal de stroom naar de elektroden sterk afnemen. Dit 35 kan worden gedetecteerd via een diodeschakeling die bijvoorbeeld een waar schuwings lamp je op het systeem kan aansturen.

- 9 -

Bij een debiet 1.000 1/h drinkwater zal de generator een stroom afgeven circa 0,2-0,4 ampère, wat voldoende is om uiteindelijke gehalte van 0,2 tot 0,4 mg/1 actief chloor in het water te verkrijgen. De inrichting wordt 5 zodanig uitgevoerd dat 10 1/h water door de elektrolysecel wordt geleid en circa 100 ml/h water door de zoutdoseer-inrichting wordt geleid. De zoutdoseerinrichting bevat water dat geheel verzadigd is met zout en zodoende circa 300 g/1 zout bevat. De 100 ml/h water die door het zoutvat 10 loopt, zal zout opnemen in een hoeveelheid tot 300 g/1. Dit zoutbevattende water wordt gemengd met de rest van de 10 1/h die door de elektrolysecel wordt geleid zodat de voeding voor de elektrolysecel uiteindelijk circa 3 g/1 zout zal bevatten. Dit resulteert in een geleidbaarheid van 15 circa 6 ms/cm wat voldoende is voor een goed verlopend elektrolyseproces. Bij deze geleidbaarheid kan een stroomdichtheid van circa 2 A/dm2 worden bereikt bij een spanning van circa 5 volt. Het benodigde elektrodeoppervlak bedraagt dan circa 0,2 dm2 voor een stroom van 0,4 A. Het zoutge-20 halte van de hoofdstroom zal daardoor uiteindelijk met slechts ongeveer 30 mg/1 toenemen. De vereiste energieaf-gifte door de generator moet circa 2 W bedragen. Uitgaande van een rendement van de generator van 33% zal aan het water 6 W aan energie worden onttrokken. Dit komt overeen 2 5 met een drukval van 2,2 mwk. In een gemiddeld huishouden wordt circa 100 1/dag warm water gebruikt. Bij een toeneming van het zoutgehalte van 3 0 mg/1 zal het zoutgebruik dus 3 g/dag bedragen, ofwel circa l kg per jaar. Eenmalige jaarlijkse vervanging van het zout in een vaatje van 1,5 30 liter is dan ruim voldoende.

Claims

2. Inrichting volgens conclusie 1, waarbij de inrichting verder omvat / 1? i } - 11 - een toevoerleiding voor de zoutdoseerinrichting die op de toevoerleiding voor de elektrolysecel is aangesloten en die een gedeelte van het water in de toevoerleiding voor de elektrolysecel aan de zoutdoseerinrichting 5 toevoert, en een afvoerleiding voor de zoutdoseerinrichting die op de toevoerleiding voor de elektrolysecel is aangesloten op stroomafwaarts van de plaats waar de toevoerleiding voor de zoutdoseerinrichting is aangesloten en die het chloride-10 ionen bevattende water uit de zoutdoseerinrichting naar de toevoerleiding voor de elektrolysecel voert.
3. Elektrolyse-inrichting volgens één der voorgaande conclusies, waarbij in de hoofdleiding, de toevoerleiding voor de elektrolysecel, de afvoerleiding voor de 15 elektrolysecel, de toevoerleiding voor de zoutdoseerinrichting en/of de afvoerleiding voor de zoutdoseerinrichting middelen voor het regelen van de verhoudingen van de hoofdstroom, de voeding voor de elektrolysecel en de voeding voor de zoutdoseerinrichting zijn opgenomen.
4. Elektrolyse-inrichting volgens één der voor gaande conclusies, die is voorzien van middelen om de elektroden periodiek op te polen.
5. Elektrolyse-inrichting volgens één der voorgaande conclusies, waarbij die middelen voor het regelen 25 van de verhoudingen van de hoofdstroom, de voeding voor de elektrolysecel en de voeding voor de zoutdoseerinrichting vernauwingen of regelkranen omvatten.
6. Elektrolyse-inrichting volgens één der voorgaande conclusies, waarbij de elektrolysecel een membraan- 30 elektrolysecel is.
7. Elektrolyse-inrichting volgens conclusie 6, waarbij een kationselectief membraan tussen kathode en anode is geplaatst.
8. Elektrolyse-inrichting volgens één der voor-35 gaande conclusies, waarbij de generator een gelijkstroomge- nerator is. - 12 -
9. Elektrolyse-inrichting volgens één der voorgaande conclusies, waarbij de generator een gelijkstroom-dynamo gekoppeld aan een schoepenrad omvat.
10. Elektrolyse-inrichting volgens conclusie 9, 5 waarbij het schoepenrad zich stroomafwaarts van de plaats waar de toevoerleiding voor de elektrolysecel is aangesloten op het waterleidingsysteem en stroomopwaarts van de plaats waar de afvoerleiding van de elektrolysecel is aangesloten op het waterleidingsysteem is opgenomen in het 10 waterleidingsysteem.
11. Werkwijze voor het desinfecteren van water in een waterleidingsysteem door middel van de generatie van actief chloor met behulp van een elektrolyse-inrichting omvattende een elektrolysecel die is voorzien van elektro- 15 den waarover een spanningsverschil wordt aangelegd, een generator voor het leveren van het spanningsverschil voor de elektrolysecel, waarbij de generator wordt aangedreven door het water in het waterleidingsysteem, waarbij men een gedeelte van het water in het waterleidingsysteem aftakt om 20 een voeding te vormen voor de elektrolysecel, ten minste een gedeelte van de voeding voor de elektrolysecel door een zoutdoseerinrichting leidt die een verbinding bevat die chloride-ionen kan leveren, en vervolgens samenvoegt met het andere gedeelte van de voeding voor de elektrolysecel, 25 de chloride-ionen bevattende voeding voor de elektrolysecel elektrolyseert in de elektrolysecel en vervolgens naar het waterleidingsysteem terugvoert. *****