[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft einen selbstreinigenden Elektrolyseur gemäss Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
[0002] Sowohl Wirkungsweise als auch Einsatzmöglichkeiten für die elektrochemische Behandlung von Wasser, wässriger Lösungen und anderer als Elektrolyten geeigneten Flüssigkeiten sind bekannt. Die elektrische Polarisierung, oder Ionisierung des Elektrolyten dient im vorliegenden Fall der Reinigung, Entkeimung und Entkalkung.
[0003] Die Ionisierung des Wassers (Elektrolyt) hat desinfizierende Wirkung, d.h. es werden vorhandene Keime abgetötet (Kaltsterilisation). Eine weitere Folge der elektrolytischen Behandlung einer wässrigen Lösung ist die Bildung riesiger Mengen Gasbläschen (ca. 3-5 Mio. pro cm<3>) aus z.B. Wasserstoff, Sauerstoff, Ozon etc. An der Oberfläche weisen diese Gasbläschen eine elektrische Ladung auf.
Sobald die Gasbläschen mit Mikroorganismen in Kontakt kommen, implodieren sie. Die elektrische Entladung zerstört dabei die Materie der Mikroorganismen, ob diese im organischen Sinn lebend oder tot sind.
[0004] In Grossanlagen wie Hotels und Geschäftsgebäuden wird die Entkeimung je länger, je wichtiger, konnte man doch in Anlagen, die mit unbehandeltem Wasser betrieben werden, die Bildung von Legionellen in Toträumen des Leitungssystemes nachweisen.
[0005] Die Ionisierung von Wasser bewirkt aber auch eine Veränderung der kristallinen Form des darin enthaltenen Kalkes, welcher die "Wasserhärte" bestimmt.
Zwar nimmt die Wasserhärte nicht ab, jedoch setzt sich der Kalk in der neuen kristallinen Form nicht mehr an Leitungen und Armaturen fest.
[0006] Für die Behandlung des Wassers (Elektrolyt), also die praktische Herstellung ionisierter Lösungen werden verschiedene Konstruktionsformen und Anordnungen von Vorrichtungen (Elektrolyseuren) verwendet. Typisch sind sogenannte Rundreaktoren, von denen mögliche Ausführungsformen z.B. in der EP 0 842 122 B1 beschrieben sind. In letzter Zeit wurden verschiedentlich auch sogenannte Flachreaktoren eingesetzt, welche in einer Anlage platzsparend eingebaut werden können.
Durch ihre Form sind sie im Einbau weniger aufwendig und können durch modulare Bauweise den jeweiligen Bedürfnissen auf einfache Weise angepasst werden.
[0007] Diesen vorgenannten und bekannten Elektrolyseuren, sowohl den bekannten Rund- als auch den neueren Flachreaktoren haftet der Mangel an, dass sie im Prozessraum, also dort, wo die Elektrolyse stattfindet und die wässrige Flüssigkeit behandelt wird, strömungstechnisch nicht optimal ausgelegt sind. Zum Beispiel tragen Toträume dazu bei, dass man nie ganz sicher ist, ob auch alle Teile der wässrigen Lösung, die den Elektrolyseur passierten, wirklich bearbeitet sind.
In strömungstechnisch ungünstigen Prozessräumen entstehen aber auch turbulente Strömungen, welche denselben Effekt auf die gleichmässige Behandlung des Elektrolyten haben.
[0008] Schon in Testreihen, die zur Beurteilung der Wirkungsweise in Bezug auf Keimfreiheit und Beeinflussung der kristallinen Kalkstruktur in der wässrigen Lösung dienen, hat sich gezeigt, dass die Qualität der behandelten Lösungen dadurch stark variiert. Dies ist bedingt durch die unebenmässige Behandlung der wässrigen Lösung in strömungstechnisch ungünstig angelegten Prozessräumen der bekannten Elektrolyseure. Tote Räume, die nicht zwangsdurchflutet sind, entleeren sich in nicht voraussagbaren Kadenzen plötzlich und unregelmässig.
Natürlich sind die in einem toten Raum des Elektrolyseurs einige Zeit verbleibenden Teile des Elektrolyten von anderer Qualität, als die regelmässig an den Elektroden vorbeistreichenden, oder die im sogenannten "channelling" den Elektrolyseur im schnellen Direktdurchgang passsierenden Teile.
[0009] Die Nachteile bekannter Elektroyseure sind erkennbar im Aufbau: Sie sind mit einfach in den Prozessraum, also in die Flüssigkeit eingetauchten Elektroden ausgestattet. Diese Art der Konstruktion wählt man, damit die Elektroden leicht ausgewechselt werden können. Man fertigt die Elektroden aus leitfähigem Material, da man die höchstmögliche elektrische Leistung erhalten will. Diese Materialien werden normalerweise leicht abgenutzt, da sie vom Prozess her einer elektrolytischen Korrosion unterliegen.
Damit ein Elektrolyseur dennoch langfristig verwendet werden kann, ist die leichte Auswechslung solcher Elektroden wichtig.
[0010] Die Toträume und die turbulente Strömung, wie sie bei Rundreaktoren um die Elektroden herum entstehen, wirken sich auf das Strömungsverhalten des Elektrolyten negativ aus. Die Entleerung der Toträume und die turbulente Strömung verursachen ungleichmässige Qualität des behandelten Elektrolyten.
[0011] Grundsätzlich ist die Form des Prozessraumes bei Rundreaktoren per se nicht günstig für das Strömungsverhalten des Elektrolyten.
[0012] Will man Prozessraum, Einlass und Auslass des Elektrolyseurs strömungstechnisch optimieren, werden die Elektroden konstruktiv zum Teil des Prozessraumes. Sie sind damit normalerweise schlechter auswechselbar, d.h. bei jedem Wechsel der Elektroden muss der Elektrolyseur z.B. demontiert werden.
Um dies zu vermeiden, muss das entsprechende Material für die Elektroden verwendet werden. Der Wahl des richtigen Materials für die Anode und die Kathode kommt deshalb eine grosse Bedeutung zu. Wenn möglich möchte man Elektroden einsetzen, die über die ganze Lebensdauer des Elektrolyseurs halten. Solche Elektroden sind bekannt. Sie sind aus Titan und werden unter Umständen gar mit einem Oberflächenschutz versehen. Dieses Material sowie ein Oberflächenschutz haben für die Anwendung als Elektroden den Nachteil, dass sie grosse elektrische Widerstände aufweisen, also schlecht leitend sind. Man muss deshalb Vorkehrungen treffen, damit diese Elektroden über ihre ganze Länge gleichmässig mit Strom versorgt werden.
Man will vermeiden, dass ein Spannungsabfall in Kauf genommen werden muss.
[0013] Anderseits sind Unregelmässigkeiten in der Qualität des Elektrolyten unerwünscht. Die Qualität des den Elektrolyseur verlassenden Elektrolyten wird sich an den am schlechtesten ionisierten Teilen orientieren müssen, will man dem Anwender Garantien abgeben. Man ist deshalb gezwungen eine solche Anlage so gross auszulegen, dass auch die am wenigsten behandelten Anteile der Flüssigkeit noch genügend bearbeitet sind, um einem geforderten Qualitätsanspruch zu genügen. Dadurch werden Vorrichtungen und damit die ganze Anlage grösser, der Bedarf an Strom steigt.
Die Wirtschaftlichkeit der Einrichtung ist in Frage gestellt.
[0014] Die vorliegende Erfindung stellt sich nunmehr die Aufgabe, einen selbstreinigenden Elektrolyseur zur kontinuierlichen, elektrolytischen Behandlung von Wasser und/oder wässrigen Lösungen der eingangs genannten Art derart zu verbessern, dass die Vorteile der bekannten Vorrichtungen erhalten bleiben, und durch definierten, laminaren Durchfluss und gleichmässige Behandlung der Flüssigkeitsanteile die Qualität gleichmässiger und die Sicherheit in der Auslegung besser wird. Man will mit weniger Energie gleichmässigere Qualität des behandelten Elektrolyten erreichen.
[0015] Diese Aufgabe löst der vorgestellte selbstreinigende Elektrolyseur zur kontinuierlichen, elektrolytischen Behandlung von geeigneten Elektrolyten wie z.B. Trink- und Brauchwasser mit den Merkmalen des Patentanspruches 1.
Weitere erfindungsgemässe Merkmale gehen aus den abhängigen Ansprüchen hervor, und deren Vorteile sind in der nachfolgenden Beschreibung erläutert.
[0016] In der Zeichnung zeigt:
<tb>Fig. 1<sep>Perspektive/Ansicht eines Elektrolyseurs
<tb>Fig. 2<sep>Schnitt Y-Y durch den Elektrolyseur
<tb>Fig. 3<sep>Schnitt X-X durch den Elektrolyseur
<tb>Fig. 4<sep>Detail Schnitt X-X durch den Elektrolyseur
<tb>Fig. 5<sep>Aufriss des Elektrolyseurs
<tb>Fig. 6<sep>Seitenriss des Elektrolyseurs
<tb>Fig. 7<sep>Grundriss des Elektrolyseurs
[0017] Die Figuren stellen bevorzugte beispielhafte Ausführungsvorschläge dar, welche in der nachfolgenden Beschreibung als Beispiele erläutert werden.
[0018] Ein Elektrolyseur 1 der erfinderischen Art ist flach ausgebildet. In Fig. 1 ist z.B. eine typische Konstruktion dieser Art gezeigt. Zwei Abdeckplatten 30, 30 ¾ schliessen das ganze Paket in der Art einer "Sandwichkonstruktion" seitlich ab (Fig. 3 & 4). An diesen Abdeckplatten 30, 30 ¾ liegen die Elektroden 20, 20 ¾ satt und ohne Spiel an. Damit dies auch während des Einsatzes des Elektrolyseurs 1 so bleibt, ist der Zwischenraum zwischen Elektroden 20, 20 ¾ und den Abdeckplatten 30, 30 ¾ gegen aussen abgedichtet. Diese Elektroden 20, 20 ¾ bilden die seitliche Abgrenzung des Prozessraumes 3. Zusammen mit dem Rahmen 4 bilden sie den Prozessraum 3 (Fig. 2-4).
Das ganze Paket, Abdeckplatten 30, 30 ¾ mit Aussendichtungen 31, 31 ¾, Elektroden 20, 20 ¾ und der Rahmen 4 mit den Prozessraumdichtungen 32, 32 ¾ wird mittels Schrauben 35 (Fig. 5-7) zusammengehalten.
[0019] Der Prozessraum 3 (Fig. 2) weist zwischen Eintrittseite und Austrittseite an der oberen Begrenzung 8 und der unteren Begrenzung 9 des Prozessraumes 3 gegenüber der Horizontalen eine positive Neigung im Winkel alpha Richtung Auslass 6 auf. Der Prozessraum 3 bildet dadurch gegenüber der Horizontalen eine Kammer mit leichter Steigung. Der relativ enge Einlass 5 führt in den Prozessraum 3. Dieser bleibt im Querschnitt über seine ganze Länge gleich, bis er in den Auslass 6 führt.
Solange der Elektrolyt sich im Prozessraum 3 befindet, gibt es keine Strömungsänderung und damit keine Turbulenzen.
[0020] Im Schnitt X-X (Fig. 3, 4) ist die bereits kurz erwähnte Sandwichkonstruktion des Elektrolyseurs 1 gezeigt. Beidseitig der Elektroden 20, 20 ¾ sind zu den Abdeckplatten 30, 30 ¾ hin Aussendichtungen 31, 31 ¾ angeordnet. In entsprechenden Nuten der Abdeckplatten 30, 30 ¾ werden Dichtprofile 34 zur Dichtung gegen die Elektroden 20, 20 ¾ eingelegt. Sie halten den Raum zwischen den Abdeckplatten 30, 30 ¾ und den Elektroden 20, 20 ¾ dicht und geschlossen. Während der Montage wird darauf geachtet, dass zwischen den Elektroden 20, 20 ¾ und den Abdeckungen 30, 30 ¾ möglichst wenig Spiel, ja wenn möglich ein Vakuum vorhanden ist. Dass dies während der Lebensdauer des Elektrolyseurs 1 so bleibt, wird durch diese Aussendichtungen 31, 31 ¾ gewährleistet.
Weil die Elektroden 20, 20 ¾ von den steifen Abdeckplatten 30, 30 ¾ gegen Durchbiegung gestützt werden, kann man im Prozessraum 3 sowohl mit Vakuum als auch mit Überdruck arbeiten. Bei Überdruck stützen sich die Elektroden 20, 20 ¾ auf den Abdeckplatten 30, 30 ¾ ab. Im Falle von Vakuum im Prozessraum 3 hält das entstehende Vakuum im Zwischenraum zwischen Elektroden 20, 20 ¾ und Abdeckplatten 30, 30 ¾ die Elektroden 20, 20 ¾ an den steifen Abdeckplatten 30, 30 ¾.
Der Elektrolyseur 1 ermöglicht dadurch die vom Druck her freie Prozessführung.
[0021] Auf der dem Prozessraum zugewandten inneren Seite, sind im Rahmen 4 Nuten vorgesehen, die Dichtprofile 34 zur Dichtung zwischen Rahmen 4 und Elektroden 20, 20 ¾ aufnehmen, die sogenannten Prozessraumdichtungen 32.
[0022] Diese haben die Aufgabe, den Prozessraum gegen aussen abzudichten.
[0023] Um die aus Titan gefertigten Elektroden auf der ganzen Länge zwischen Einlass 5 und Auslass 6 gleichmässig mit Strom zu versorgen, wird dieser über deren ganzen Länge mittels Stromleisten 21, 21 ¾ aus Kupfer oder anderem gut leitenden Material, über eine möglichst grosse Fläche der Elektroden 20, 21 ¾ eingeleitet. Diese Kontaktfläche soll in etwa 10% der Fläche der Elektroden 20, 20 ¾ entsprechen, welche dem Prozessraum 3 zugewandt und deshalb mit dem Elektrolyten in Kontakt ist.
Dadurch wird vermieden, dass sich der hohe Widerstandswert an den aus Titan gefertigten Elektroden 20, 20 ¾ verschiedene elektrische Zustände verursacht. Es wäre schädlich für den Prozess, wenn im Prozessraum 3 an verschiedenen Orten verschiedene elektrische Zustände herrschen würden. Anderseits ist der Vorteil von beschichteten Elektroden die markant lange Lebensdauer. Aus herkömmlichem Material gefertigte Elektroden lösen sich wenn sie als Anode dienen auf. Dies ist in gewissen Prozessen (z.B. AL Produktion) sogar erwünscht. Eine Beschichtung der Anoden aus Titan vermeidet deren Auflösung während der Elektrolyse. Sie sind den Elektroden aus herkömmlich verwendeten Materialien um ein Vielfaches überlegen.
[0024] Ähnlich gute Eigenschaften der Standfestigkeit bieten Elektroden, die aus Platin gefertigt sind.
Allerdings sind diese sehr teuer und dadurch nicht wirtschaftlich einsetzbar.
[0025] Während des Prozesses entsteht durch die Umwandlung der kristallinen Form des im Elektrolyten 1 im Prozessraum 3 eine Art Schlamm. Um diesen von Zeit zu Zeit entfernen zu können, weist der Prozessraum 3 unterhalb des Auslasses 6 eine Entleerungsöffnung 7 auf. Mit einem speziellen Reinigungszyklus kann dieser durch die Entleerungsöffnung 7 hinausgespült werden.
[0026] Um die Vorteile der Vorrichtung zu erkennen, müssen verschiedene Prozessschritte beschrieben werden. In der Grundfunktion wird der Elektrolyt in unbehandelter Form A über den Einlass 5 (Produkt A) in den Prozessraum 3 eingespeist.
Möglichst sanft und in laminarer Strömung durchquert der zu behandelnde Elektrolyt den Prozessraum 3 und fliesst dabei zwischen den Elektroden 20, 20 ¾ (Anode und Kathode) durch und wird dabei ionisiert. Über den Auslass 6 verlässt der nun behandelte Elektrolyt (Edukt B) den Prozessraum 3.
[0027] Der Elektrolyt soll zwischen Einlass 5 und Auslass 6 stetig, aber nicht allzu stark steigen. Die dem Einlass 5 zugeführte Menge Elektrolyt soll den Inhalt des Prozessraumes 3 (Fig. 3) zwischen der oberen Begrenzung 8 und der unteren Begrenzung 9 sachte "durchstossen". Zu diesem Zweck muss der Steigungswinkel alpha gegenüber der Horizontalen mindestens 5 deg. und höchstens 10 deg. betragen.
[0028] Während des Elektrolyseprozesses entstehende Gase bilden während der Einwirkung des Stromes feine Bläschen. Diese können Turbulenzen verursachen.
Durch die beschriebene Ausbildung des Prozessraumes 3 und die laminar gehaltene Strömung steigen diese Gasblasen langsam und ohne Turbulenzen zu verursachen im Prozessraum 3 nach oben. Sie durchqueren denselben und erreichen die obere Begrenzung 8 des Rahmens 4. Durch die Neigung des Prozessraumes 3 und den in laminarer Strömung den Prozessraum 13 durchquerenden und sanft an der oberen Begrenzung 8 durchstreifenden Fluss des Elektrolyten werden diese Blasen der oberen Abgrenzung 8 entlang langsam in Richtung Auslass 6 befördert. Dabei verursachen sie keine Turbulenzen und bilden auch keine Gaskissen. Sie verlassen sodann zusammen mit dem gleichmässig behandelten Elektrolyten permanent den Elektrolyseur 1 durch den Auslass 6.
[0029] Um den Prozess zu intensivieren kann dem unbehandelten Elektrolyten (Produkt A) CO2 in Mikrobläschen zugespiesen werden.
Die während der Elektrolyse entstehenden, feinen Kalkkristalle setzen sich an diesen CO2 Bläschen fest und können leicht als Flotat entfernt werden. Zudem kann mit dieser Zudosierung von CO2 der pH-Wert des Elektrolyten (Produkt A, Ausgangslösungen) eingestellt oder korrigiert werden. Speziell bei der Behandlung von Wasser oder wässrigen Lösungen mit zu wenig Mineralien erlaubt diese Methode, den Elektrolyten in einen höheren Aktivierungsgrad zu versetzen, ohne weitere Zusatzstoffe beimischen zu müssen. Ein höherer Aktivierungsgrad und die Zudosierung von CO2 bewirken die Bildung einer grösseren Anzahl Gasbläschen, die (wie einleitend beschrieben) für den Reinigungsprozess eine wichtige Rolle spielen.
[0030] Durch den Einsatz dieses selbstreinigenden Elektrolyseurs 1 wird die Regelung des Prozesses zuverlässiger.
Die Regelung erfolgt über die Stabilisierung des Stroms. Falls z.B. der ständig gemessene Leitwert des Elektrolyts ändert, kann sofort auf die Elektrolysespannung an den Elektroden 20, 20 ¾ Einfluss genommen werden, um den Elektrolysestrom auf gleichem Niveau zu halten. Durch gezielte Modulation des stabilisierten Stromes können die pH- und die Redoxwerte des Elektrolyten gezielt beeinflusst werden.
[0031] Diese Regelung ermöglicht es, eine gewünschte Qualität des behandelten Elektrolyten am Auslass 6 (Edukt B) einzustellen und deren Gleichmässigkeit zu gewährleisten. Die Führung des Prozesses, um gleichmässige Qualität zu erhalten, ist unabhängig von Schwankungen in Mineralgehalt oder Leitfähigkeit des Produktes A möglich.
[0032] Um Ablagerungen auf den Elektroden 20, 20 ¾ zu vermeiden, werden diese während des Prozesses regelmässig umgepolt.
An der Oberfläche der als Kathode verwendeten Elektrode 20, 20 ¾ lagern sich Schmutzteile ab, während die als Anode wirkende Elektrode 20, 20 ¾ sich selbst reinigt. Wird regelmässig umgepolt, erreicht man die Reinigung der Elektroden 20, 20 ¾. Gereinigte Elektroden gewährleisten dann wieder die korrekte Prozessführung.