[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.
The present invention relates to a self-cleaning electrolyzer according to the preamble of patent claim 1.
Both mode of action and applications for the electrochemical treatment of water, aqueous solutions and other suitable as electrolytes liquids are known. The electrical polarization, or ionization of the electrolyte is used in the present case of cleaning, sterilization and decalcification.
The ionization of the water (electrolyte) has a disinfecting effect, i. E. existing germs are killed (cold sterilization). Another consequence of the electrolytic treatment of an aqueous solution is the formation of huge quantities of gas bubbles (about 3-5 million per cm 3) of e.g. Hydrogen, oxygen, ozone, etc. On the surface, these gas bubbles have an electric charge.
As soon as the gas bubbles come into contact with microorganisms, they implode. The electrical discharge destroys the matter of microorganisms, whether they are alive or dead in the organic sense.
In large-scale facilities such as hotels and commercial buildings, the sterilization becomes longer, the more important it was possible to detect the formation of Legionella in dead spaces of the piping system in plants operated with untreated water.
However, the ionization of water also causes a change in the crystalline form of the lime contained therein, which determines the "water hardness".
Although the water hardness does not decrease, the lime in the new crystalline form no longer adheres to pipes and fittings.
For the treatment of the water (electrolyte), ie the practical production of ionized solutions, various construction forms and arrangements of devices (electrolysers) are used. Typical are so-called circular reactors, of which possible embodiments are e.g. in EP 0 842 122 B1. Recently, so-called flat reactors have been used variously, which can be installed in a space-saving plant.
Due to their shape they are less expensive to install and can be adapted to the respective needs in a simple way by modular design.
These aforementioned and known electrolyzers, both the known round and the new flat reactors liable for the lack of that they are not optimally designed in the process space, ie where the electrolysis takes place and the aqueous liquid is treated. For example, dead spaces contribute to never being sure that all the parts of the aqueous solution that passed the electrolyser are actually processed.
In fluidically unfavorable process spaces but also turbulent flows, which have the same effect on the uniform treatment of the electrolyte.
Even in test series that serve to assess the mode of action in terms of sterility and influencing the crystalline lime structure in the aqueous solution, it has been shown that the quality of the treated solutions varies greatly. This is due to the uneven treatment of the aqueous solution in fluidically unfavorable process spaces of the known electrolysers. Dead spaces, which are not inevitably flooded, empty suddenly and irregularly in unpredictable cadences.
Of course, the parts of the electrolyte remaining in a dead space of the electrolyzer for some time are of a different quality than those regularly passing the electrodes, or the parts passing through the so-called "channeling" of the electrolyzer in rapid direct passage.
The disadvantages of known Elektroyseure are recognizable in construction: They are equipped with simply immersed in the process space, ie in the liquid electrodes. This type of construction is chosen so that the electrodes can be easily replaced. One manufactures the electrodes of conductive material, since one wants to obtain the highest possible electrical power. These materials are usually easily worn because they undergo electrolytic corrosion from the process.
For an electrolyser to be used over the long term, it is important to replace such electrodes easily.
The dead spaces and the turbulent flow, as they arise in round reactors around the electrodes, have a negative effect on the flow behavior of the electrolyte. The emptying of the dead spaces and the turbulent flow cause uneven quality of the treated electrolyte.
Basically, the shape of the process chamber in circular reactors per se is not favorable for the flow behavior of the electrolyte.
If you want to streamlined optimize process space, inlet and outlet of the electrolyzer, the electrodes are structurally part of the process room. They are thus usually less interchangeable, i. with each change of electrodes, the electrolyzer must e.g. be dismantled.
To avoid this, the appropriate material must be used for the electrodes. The choice of the right material for the anode and the cathode is therefore of great importance. If possible, one would like to use electrodes that last for the entire life of the electrolyzer. Such electrodes are known. They are made of titanium and may even be provided with a surface protection. This material and a surface protection have for use as electrodes the disadvantage that they have large electrical resistances, so are poorly conductive. It is therefore necessary to make arrangements so that these electrodes are supplied with power uniformly over their entire length.
One wants to avoid that a voltage drop must be accepted.
On the other hand, irregularities in the quality of the electrolyte are undesirable. The quality of the electrolyzer leaving the electrolyzer will have to be based on the least ionized parts, if one wants to give the user guarantees. It is therefore forced to design such a system so large that even the least treated portions of the liquid are still sufficiently processed to meet a required quality standard. As a result, devices and thus the whole system larger, the demand for electricity increases.
The economic viability of the facility is in question.
The present invention now has the task to improve a self-cleaning electrolyzer for the continuous, electrolytic treatment of water and / or aqueous solutions of the type mentioned in such a way that the advantages of the known devices are maintained, and by defined, laminar flow and uniform treatment of the liquid components, the quality is more uniform and the safety in the design is better. One wants to achieve a more uniform quality of the treated electrolyte with less energy.
This object is achieved by the presented self-cleaning electrolyzer for continuous electrolytic treatment of suitable electrolytes, e.g. Drinking and service water with the features of claim 1.
Further features of the invention will become apparent from the dependent claims, and the advantages thereof are explained in the following description.
In the drawing shows:
<Tb> FIG. 1 <sep> perspective / view of an electrolyzer
<Tb> FIG. 2 <sep> Cut Y-Y through the electrolyzer
<Tb> FIG. 3 <sep> Cut X-X through the electrolyzer
<Tb> FIG. 4 <sep> Detail Cut X-X by the electrolyzer
<Tb> FIG. 5 <sep> Outline of the electrolyzer
<Tb> FIG. 6 <sep> Side view of the electrolyzer
<Tb> FIG. 7 <sep> Floor plan of the electrolyzer
The figures represent preferred exemplary embodiment proposals, which will be explained in the following description as examples.
An electrolyzer 1 of the inventive type is flat. In Fig. 1, e.g. a typical construction of this type shown. Two cover plates 30, 30 ¾ complete the entire package in the manner of a "sandwich construction" laterally (Fig. 3 & 4). At these cover plates 30, 30 ¾, the electrodes 20, 20 ¾ sat and without play. To ensure that this remains the same during use of the electrolyzer 1, the gap between electrodes 20, 20 ¾ and the cover plates 30, 30 ¾ is sealed to the outside. These electrodes 20, 20 ¾ form the lateral boundary of the process space 3. Together with the frame 4, they form the process space 3 (FIGS. 2-4).
The entire package, cover plates 30, 30 ¾ with outer seals 31, 31 ¾, electrodes 20, 20 ¾ and the frame 4 with the process chamber seals 32, 32 ¾ is held together by means of screws 35 (Fig. 5-7).
The process space 3 (FIG. 2) has a positive inclination at an angle alpha to the outlet 6 between inlet side and outlet side at the upper boundary 8 and the lower boundary 9 of the process space 3 relative to the horizontal. The process space 3 thus forms a chamber with a slight incline relative to the horizontal. The relatively narrow inlet 5 leads into the process space 3. This remains the same in cross-section over its entire length until it leads into the outlet 6.
As long as the electrolyte is in the process chamber 3, there is no flow change and thus no turbulence.
In section X-X (Fig. 3, 4), the already briefly mentioned sandwich construction of the electrolyzer 1 is shown. On both sides of the electrodes 20, 20 ¾ outward seals 31, 31 ¾ are arranged to the cover plates 30, 30 ¾. In corresponding grooves of the cover plates 30, 30 ¾ sealing profiles 34 are inserted to the seal against the electrodes 20, 20 ¾. They keep the space between the cover plates 30, 30 ¾ and the electrodes 20, 20 ¾ tight and closed. During assembly, care must be taken to ensure that there is as little clearance as possible between the electrodes 20, 20 ¾ and the covers 30, 30 ¾, if possible, and that there is a vacuum, if possible. That this remains so during the life of the electrolyzer 1, is ensured by these external seals 31, 31 ¾.
Because the electrodes 20, 20 ¾ are supported by the rigid cover plates 30, 30 ¾ against bending, one can work in the process chamber 3 both with vacuum and with overpressure. In the event of overpressure, the electrodes 20, 20 ¾ are supported on the cover plates 30, 30 ¾. In the case of a vacuum in the process space 3, the resulting vacuum in the gap between electrodes 20, 20 ¾ and cover plates 30, 30 ¾ holds the electrodes 20, 20 ¾ on the rigid cover plates 30, 30 ¾.
The electrolyzer 1 thus enables the pressure-free process control.
On the inner side facing the process space, grooves are provided in the frame 4 which receive sealing profiles 34 for sealing between frame 4 and electrodes 20, 20 ¾, the so-called process space seals 32.
These have the task of sealing the process space to the outside.
In order to supply the electrodes made of titanium over the entire length between inlet 5 and outlet 6 evenly with electricity, this is over its entire length by means of power strips 21, 21 ¾ of copper or other highly conductive material, over the largest possible area the electrodes 20, 21 ¾ initiated. This contact surface should correspond to approximately 10% of the area of the electrodes 20, 20 ¾, which faces the process space 3 and is therefore in contact with the electrolyte.
This avoids that the high resistance of the titanium-made electrodes 20, 20 causes ¾ different electrical states. It would be detrimental to the process if different electrical states prevail at different locations in process space 3. On the other hand, the advantage of coated electrodes is the markedly long service life. Made of conventional material electrodes dissolve when they serve as an anode. This is even desirable in certain processes (e.g., AL production). A coating of titanium anodes avoids their dissolution during electrolysis. They are many times superior to conventionally used electrodes.
Similarly good properties of stability offer electrodes that are made of platinum.
However, these are very expensive and therefore not economically viable.
During the process is formed by the transformation of the crystalline form of the electrolyte 1 in the process space 3, a kind of sludge. In order to be able to remove it from time to time, the process space 3 below the outlet 6 has an emptying opening 7. With a special cleaning cycle this can be flushed out through the discharge opening 7.
In order to recognize the advantages of the device, various process steps must be described. In the basic function, the electrolyte in untreated form A is fed via the inlet 5 (product A) into the process space 3.
As gently as possible and in a laminar flow, the electrolyte to be treated traverses the process chamber 3, flowing through between the electrodes 20, 20 ¾ (anode and cathode) and thereby becoming ionized. Via the outlet 6, the now treated electrolyte (educt B) leaves the process space 3.
The electrolyte should rise steadily but not too strongly between inlet 5 and outlet 6. The amount of electrolyte supplied to the inlet 5 is intended to gently "pierce" the contents of the process space 3 (FIG. 3) between the upper boundary 8 and the lower boundary 9. For this purpose, the pitch angle alpha relative to the horizontal at least 5 deg. and at most 10 deg. be.
During the electrolysis process resulting gases form during the action of the current fine bubbles. These can cause turbulence.
As a result of the described design of the process space 3 and the laminar flow, these gas bubbles rise slowly and without causing turbulence in the process space 3 upwards. They pass through the same and reach the upper boundary 8 of the frame 4. Due to the inclination of the process space 3 and the flow of the electrolyte through the process space 13 in a laminar flow and gently flowing through the upper boundary 8, these bubbles slowly move in the direction of the upper boundary 8 Outlet 6 transported. They do not cause turbulence and also do not form gas bags. They then leave permanently together with the uniformly treated electrolyte the electrolyzer 1 through the outlet 6th
In order to intensify the process, the untreated electrolyte (product A) can be supplied with CO2 in microbubbles.
The resulting during the electrolysis, fine calcium crystals attach to this CO2 bubbles and can be easily removed as a flotate. In addition, with this addition of CO2, the pH of the electrolyte (product A, starting solutions) can be adjusted or corrected. Especially in the treatment of water or aqueous solutions with too little minerals, this method allows to put the electrolyte in a higher degree of activation, without having to add other additives. A higher degree of activation and the addition of CO2 cause the formation of a larger number of gas bubbles, which (as described in the introduction) play an important role in the purification process.
By using this self-cleaning electrolyzer 1, the control of the process is reliable.
The regulation takes place via the stabilization of the current. If e.g. If the measured conductance of the electrolyte changes, the electrolysis voltage at the electrodes 20, 20 ¾ can be influenced immediately in order to keep the electrolysis current at the same level. Through targeted modulation of the stabilized current, the pH and redox values of the electrolyte can be specifically influenced.
This regulation makes it possible to set a desired quality of the treated electrolyte at the outlet 6 (starting material B) and to ensure their uniformity. Conducting the process to maintain consistent quality is possible regardless of variations in mineral content or conductivity of product A.
In order to avoid deposits on the electrodes 20, 20 ¾, they are regularly reversed during the process.
On the surface of the electrode 20, 20 ¾ used as the cathode, debris deposits, while the electrode 20, 20 ¾ acts as an anode and cleans itself. If the polarity is reversed regularly, you can clean the electrodes 20, 20 ¾. Cleaned electrodes ensure correct process control again.