DE102005049169A1

DE102005049169A1 - Verfahren zum hygienischen Betrieb eines Ionenaustauschers und Ionenaustauscheranlage

Info

Publication number: DE102005049169A1
Application number: DE102005049169A
Authority: DE
Inventors: Ralph Dr. Bergmann; Jürgen Dr. Johann
Original assignee: WP Engineering Ltd
Current assignee: BWT Holding GmbH
Priority date: 2004-10-20
Filing date: 2005-10-14
Publication date: 2006-04-27

Abstract

Die Erfiindung betrifft ein Verfahren und eine dafür geeignete Anlage zum hygienischen Betrieb eines Ionenaustauschers (10) insbesondere in der Wasseraufbereitung, wobei der Ionenaustauscher (10) während einer Regenerierphase durch eine Regeneriermittellösung (14) regeneriert wird. Um zugleich eine desinfizierende Wirkung zu erzielen, wird in der Regeneriermittellösung (14) Chlordioxid in situ erzeugt und durch den Ionenaustauscher (10) hindurchgeleitet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum hygienischen Betrieb eines Ionenaustauschers insbesondere in der Wasseraufbereitung bei welchem der Ionenaustauscher während einer Regenerierphase durch eine Regeneriermittellösung regeneriert wird. Die Erfindung betrifft weiter eine Anlage zur Durchführung des Verfahrens.

Ionenaustauscheranlagen werden in großen Stückzahlen als Kationenaustauscher in Wohn- und Bürogebäuden zur Enthärtung von Trinkwasser eingesetzt. Da die Austauschkapazität jedoch endlich ist, muss in regelmäßigen Abständen eine Regeneration erfolgen. Hierfür wird zumeist Natrium- oder Kaliumchlorid, teilweise auch Magnesiumchlorid eingesetzt. Ein Problem von Ionenaustauschern ist deren Neigung zu verkeimen, wobei die Anlage nach zwei Seiten offen ist, nämlich zur Rohwassereingangseite und zum Regenerationsmitteleintrag hin. Ursache der Verkeimung sind Bakterien, die eingangsseitig über das Trinkwasser auf den Ionenaustauscher gebracht werden, diesen besiedeln und wieder an das aufbereitete Wasser abgegeben werden. Daneben erfolgt der Bakterieneintrag über das Regeneriermittel bzw. dessen Bevorratung. Zur Desinfektion wird in der Praxis eine elektrolytische Chlorerzeugung eingesetzt. Chlor hat als Desinfektionsmittel jedoch gravierende Nachteile. Die desinfizierende Wirkung ist vom pH-Wert abhängig und nimmt im alkalischen Bereich über pH = 8 erheblich ab. Zudem kann Chlor mit Wasserinhaltsstoffen bzw. vom Ionenaustauscher abgegebenen organischen Stoffen Geruchs- und Geschmacksstoffe bilden, die die Qualität des enthärteten Wassers negativ beeinträchtigen. Nachteilig ist auch, dass Chlor von einem gegebenenfalls im System gebildeten Biofilm gezehrt wird und nur unzureichend in der Lage ist, vorhandene Biofilme abzubauen.

Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die im Stand der Technik aufgetretenen Nachteile zu vermeiden und mit einem einfach handhabbaren System eine desinfizierende Wirkung beim Betrieb von Ionenaustauschern zu erreichen.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird die im Patentanspruch 1 bzw. 12 angegebene Merkmalskombination vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

Die Erfindung geht von dem Gedanken aus, Chlordioxid als biocide Substanz über das Regeneriermittel bereitzustellen. Dementsprechend wird in verfahrensmäßiger Hinsicht vorgeschlagen, dass in der Regeneriermittellösung Chlordioxid in situ erzeugt und durch den Ionenaustauscher hindurchgeleitet wird. Dadurch ist kein gesonderter Verfahrensschritt notwendig, sondern die Desinfektion kann mit der ohnehin notwendigen Regeneration kombiniert werden. Zugleich wird damit auch einem möglichen Keimeintrag über das Regenerationsmittel entgegengewirkt. Die desinfizierende Wirkung von Chlordioxid ist weitestgehend pH-Wert-unabhängig. Chlordioxid reagiert weniger mit organischen Inhaltsstoffen, und Reaktionen, die Geruchs- und Geschmacksstoffe bilden, sind nicht bekannt. Darüber hinaus baut Chlordioxid auch Biofilme ab. Trotzdem findet keine oxidative Schädigung des Ionenaustauscherharzes statt.

Vorteilhafterweise wird der Regeneriermittellösung eine Chloritkomponente, insbesondere ein Erdalkali- oder Alkalichlorit zudosiert. Die Chloritkomponente ist das Edukt für die anschließende Chlordioxid-produzierende Elektrolysereaktion. Speziell ist es von Vorteil, wenn die durch eine Kochsalzlösung gebildete Regeneriermittellösung mit Natriumchloritlösung beaufschlagt wird. Besonders bevorzugt wird einer Kochsalzsole als Regeneriermittel eine Nat riumchloritlösung so zudosiert, dass eine Natriumchloritkonzentration in der Kochsalzsole von 1 bis 5 g/l resultiert.

Eine weitere vorteilhafte Ausführung sieht vor, dass die Regeneriermittellösung in einem mit dem Ionenaustauscher verbindbaren Reservoir vorzugsweise in regelmäßigen Zeitintervallen mit einer Chloritkomponente, insbesondere Natriumchlorit versetzt wird. Durch die allein mit diesem Zweikomponentensystem bewirkte Chlordioxidbildung kann auch eine Verkeimung des Reservoirs verhindert werden.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Maßnahme wird die Chloritkomponente als wässrige Lösung vorzugsweise über ein T-Stück einer Regeneriermittelleitung in die Regeneriermittellösung eingeleitet, wobei die chlorithaltige Regeneriermittellösung vor der Durchleitung durch den Ionenaustauscher unter Erzeugung von Chlordioxid elektrolysiert wird.

Hierbei ist es günstig, wenn die chlorithaltige Regeneriermittellösung in einer Durchflusszelle zwischen zwei Elektroden unter Gleichspannung elektrolysiert wird und die Gleichspannung in vorgegebenen Intervallen, vorzugsweise in aufeinanderfolgenden Regenerierphasen umgepolt wird. Auf diese Weise können nachteilige Oberflächeneffekte an den Elektroden vermieden werden.

Eine für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignete Anlage, welche ein über eine Leitung mit dem Ionenaustauscher verbindbaren Reservoir zur Zuführung von Regeneriermittel aufweist, zeichnet sich dadurch aus, dass das Reservoir oder die Leitung aus einem Vorrat mit einer Chloritkomponente beaufschlagbar ist. Dadurch entfallen gesonderte Desinfektionsschritte und aufwändige apparative Einrichtungen. Bevorzugt wird die Chloritkomponente durch ein Erdalkali- oder Alkalichlorit gebildet.

Eine weitere Verbesserung wird dadurch erzielt, dass die Chloritkomponente in wässriger Lösung, vorzugsweise als Natriumchloritlösung über eine Pumpe in die Leitung oder das Reservoir zudosierbar ist. Die Chlordioxiderzeugung in dem Reservoir erfolgt dabei ohne zusätzlich Oxidationsmittel oder Säuren, so dass kein besonderes Gefährdungspotential besteht.

Zur gezielten Chlordioxiderzeugung bei der Regeneriermittelbeaufschlagung des Austauschers ist es günstig, wenn in der Leitung eine Durchfluss-Elektrolysezelle für die chlorithaltige Regeneriermittellösung angeordnet ist. Dabei ist es von besonderem Vorteil, wenn die Durchfluss-Elektrolysezelle zwei umströmte Elektrodenstifte, vorzugsweise platinierte Titanstifte aufweist.

Zur vorteilhaften Steuerung des Betriebsablaufs ist in der Leitung ein Absperrventil zur Absperrung gegenüber dem Ionenaustauscher angeordnet.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die einzige Figur zeigt ein schematisch vereinfachtes Anlagenschema einer Ionenaustauscheranlage mit Chlordioxid-Desinfektion.
Die dargestellte Ionenaustauscheranlage besteht im wesentlichen aus einem Ionenaustauscher 10, einem Reservoir 12 für Regeneriermittel 14, einem Vorrat 16 für Natriumchloritlösung 18 und einer Elektrolysezelle 20 in einer Verbindungsleitung 22 zwischen Reservoir 12 bzw. Vorrat 16 und Ionenaustauscher 10.
Der Ionenaustauscher 10 ist im Normalbetrieb an seinem Eingang 24 über ein Einlassventil 26 mit einem Rohwassereinlass 28 und an seinem Ausgang 30 über ein Auslassventil 32 mit einem Weichwasserauslass 34 verbunden.
Für den Regenerierbetrieb ist der Eingang 24 über das Ventil 36 mit der Verbindungsleitung 22 und der Ausgang 30 über das Ventil 38 mit einem Abwasserauslass 40 verbindbar, während die Ventile 26, 32 in dieser Phase geschlossen sind.
Die Zudosierung der Lösungen 14, 18 erfolgt durch Pumpen 42, 44, deren Ausgänge über ein T-Stück 46 gemeinsam in die Verbindungsleitung 22 münden.
Die Elektrolysezelle 20 ist mit ihren Spannungsanschlüssen 48, 50 an eine umpolbare Gleichspannungsquelle anschließbar. Die Elektroden 50 sind aus zylindrischen platinierten Titanstiften gebildet, die im Abstand parallel zueinander in einen Durchflussbereich ragen.
Im Normalbetrieb sind die Ventile 26,32 offen und die Ventile 36, 38 geschlossen. Das Rohwasser durchströmt unter Druck von den Ionenaustauscherbehälter 10 von oben nach unten. Dabei werden an der Oberfläche des Kationenaustauschers im Wasser enthaltene Calcium- und Magnesiumkationen gegen Natriumionen ausgetauscht, um so am Auslass 34 Weichwasser zapfen zu können und Kalkausfällung in der nachgeordneten Rohrleitungsinstallation und den Armaturen zu minimieren.
Ist die Austauschkapazität des Ionenaustauschers 10 erschöpft, wird durch eine Steuerung eine Regeneration ausgelöst, indem die Ventile 26, 32 geschlossen und die Ventile 36, 38 geöffnet werden. Die Pumpe 42 fördert das durch gesättigte Kochsalzsole (NaCl-Lösung) gebildete Regeneriermittel 14 in die Leitung 22, während die Pumpe 44 eine 30%-ige Natriumchloritlösung 18 (NaClO₂-Lösung) zu Desinfektionszwecken über das T-Stück 46 zumischt, so dass eine Natriumchloritkonzentration in der Kochsalzsole von 1 bis 5 g/l resultiert. Nachfolgend wird diese Mischungslösung im Durchfluss durch die Elektrolysezelle 20 elektrolysiert. Hierbei sind folgende Oxidations- Reaktionen mit den folgenden Standardoxidationspotentialen an der Anode möglich:

C^– + H₂O → HClO + H⁺ + 2e –1,49 V

ClO₂– → ClO₂ (aq) + e^– –0,954 V
Die Reaktion an der Kathode ist die Reduktion der Protonen: H⁺ + e → ½ H₂
Da das Standardoxidationspotential des Chloritanions niedriger ist als das des Chloridanions, wird das Chloritanion zuerst oxidiert und es bildet sich nahezu ausschließlich Chlordioxid, welches sich vollständig in der Kochsalzsole löst. Die Bildung des Wasserstoffs ist an der Gasbildung erkennbar. Aufgrund der Verfahrensführung ist der Umsatz an den Elektroden jedoch gering, so dass die Gasbildung nicht störend ist.
Die chlordioxidhaltige Kochsalzsole kann gemäß folgendem Beispiel erzeugt werden:
Es wird eine 8%-ige Kochsalzsole, welche 1 g/l Natriumchlorit enthält, durch eine Durchflusselektrolysezelle geleitet. Unter den folgenden Randbedingungen werden mindestens 2 mg/l Chlordioxid erzeugt:

– Volumenstrom der Natriumchlorithaltigen Kochsalzsole durch die Elektrolysezelle: 6 l/min
– Elektroden: 2 zylindrische platinierte Titanstifte der Länge 20 mm in 5 mm Abstand
– Verweilzeit der Lösung an den Elektroden ca. 0,03 s
– Elektrolysespannung: 18 V Gleichspannung
– Stromfluss 5 A.

Das gebildete Chlordioxid wird als keimtötendes Mittel in der Mischungslösung über das Ionenaustauschermaterial geleitet. Zur Entsorgung wird die Regeneriermittellösung über den Abwasserauslass 40 abgeleitet. Um Ablagerungen auf den Elektroden 50 zu vermeiden, kann die Spannungsquelle in aufeinanderfolgenden Regenerierintervallen umgepolt werden.
Am Ende einer jeden Regenerierphase erfolgt eine Nachspülung des Austauschers 10 und eine Wassernachspeisung in das Reservoir 12. Zu diesem Zweck wird neben den Ventilen 36, 38 auch das Einlassventil 26 geöffnet. Das Rohwasser verdrängt die Regenerationslösung und wäscht den Ionenaustauscher 10. Gleichzeitig wird über den Bypass 52 wieder Wasser in das Reservoir 12 geleitet, um das bei der Regeneration verbrauchte Volumen zu ersetzen. Die Kochsalzsole wird selbsttätig aus Kochsalztabletten gebildet, die sich in dem Reservoir 12 befinden.
Um auch eine Verkeimung des Regeneriermittels 14 zu verhindern, kann mittels der Dosierpumpe 44 Natriumchloritlösung in das Reservoir 14 zudosiert werden. Dadurch entsteht auch ohne elektrolytische Reaktionsbeschleunigung Chlordioxid als desinfizierendes Agens im Reservoir 12.
Durch Zudosierung eines Reduktionsmittels (z.B. Natriumsulfit) in das Regenerationsabwasser kann der Austrag von Chlorit oder Chlordioxid vermieden werden. Zu diesem Zweck ist es auch denkbar, das Regenerationsabwasser über eine Feststoffschüttung 54 aus Calciumsulfit abzuleiten. Alternativ dazu kann dem Verdrängungswasser Natriumsulfit zudosiert werden, so dass überschüssiges Chlorit bzw. Chlordioxid schon nach Abschluss der Desinfektion im Ionenaustauschermaterial zu Chlorid reduziert wird.
Wie nachfolgend ausgeführt, konnte die gewünschte Desinfektionswirkung in einem Vergleichsversuch nachgewiesen werden.
In einer Zweisäulen-Haushalts-Enthärtungsanlage mit jeweils 4,7 l stark saurem Kationenaustauscher wurden beide Säulen mit 100 ml 10E7/ml KBE E. coli kontaminiert. 24 Stunden später wurde die erste Säule mit elektrolytisch erzeugtem Chlor als desinfizierend wirkendem Agens regeneriert. Der Stromfluss in der Elektrolysezelle betrug 0,6 bis 0,7 A, wobei 0,5 bis 0,6 mg/l freies Chlor im Regenerationsabwasser bestimmt wurden.
Die zweite Säule wurde mit elektrolytisch erzeugtem Chlordioxid als desinfizierend wirkendem Agens regeneriert. Der Stromfluss in der Elektrolysezelle betrug 0,6 bis 0,7 A, und es wurden 0,5 bis 0,6 mg/l freies Chlordioxid im Regenerationsabwasser bestimmt.
Die Verkeimung mit E. coli wurde als KBE/ml und KBE/100 ml im Ablauf des Wassers in den angegebenen Zeitabständen direkt nach der Regeneration ermittelt. Der Wasserdurchfluss durch die Anlage lag bei 120 l/h. In der folgenden Tabelle bedeutet "bewachsen" mehr als 2000 KBE/100. Die Ergebnisse zeigen die Überlegenheit von Chlordioxid als Desinfektionsmittel gegenüber herkömmlich eingesetztem Chlor.
Zusammenfassend ist folgendes festzuhalten: Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine dafür geeignete Anlage zum hygienischen Betrieb eines Ionenaustauschers 10 in der Wasseraufbereitung, wobei der Ionenaustauscher 10 während einer Regenerierphase durch eine Regeneriermittellösung 14 regeneriert wird. Um zugleich eine desinfizierende Wirkung zu erzielen, wird in der Regeneriermittellösung 14 Chlordioxid in situ erzeugt und durch den Ionenaustauscher 10 hindurchgeleitet.

Claims

Verfahren zum hygienischen Betrieb eines Ionenaustauschers (10) insbesondere in der Wasseraufbereitung bei welchem der Ionenaustauscher (10) während einer Regenerierphase durch eine Regeneriermittellösung (14) regeneriert wird, dadurch gekennzeichnet, dass in der Regeneriermittellösung (14) Chlordioxid in situ erzeugt und durch den Ionenaustauscher (10) hindurchgeleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Regeneriermittellösung (14) eine Chloritkomponente (18), insbesondere ein Erdalkali- oder Alkalichlorit zudosiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die durch eine Kochsalzlösung gebildete Regeneriermittellösung (14) mit Natriumchloritlösung (18) beaufschlagt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass einer Kochsalzsole (14) eine Natriumchloritlösung (18) so zudosiert wird, dass eine Natriumchloritkonzentration in der Kochsalzsole von 1 bis 5 g/l resultiert.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Regeneriermittellösung (14) in einem mit dem Ionenaustauscher (10) verbindbaren Reservoir (12) vorzugsweise in regelmäßigen Zeitintervallen mit einer Chloritkomponente (18), insbesondere Natriumchlorit versetzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Chloritkomponente (18) als wässrige Lösung vorzugsweise über ein T-Stück (46) einer Regeneriermittelleitung (22) in die Regeneriermittellösung (14) eingeleitet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die chlorithaltige Regeneriermittellösung (14) vor der Durchleitung durch den Ionenaustauscher (10) unter Erzeugung von Chlordioxid elektrolysiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die chlorithaltige Regeneriermittellösung (14) in einer Durchflusszelle (20) zwischen zwei Elektroden (50) unter Gleichspannung elektrolysiert wird, und dass die Gleichspannung in vorgegebenen Intervallen, vorzugsweise in aufeinanderfolgenden Regenerierphasen umgepolt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der aus dem Ionenaustauscher (10) abgeleiteten Regeneriermittellösung (14) ein Reduktionsmittel, insbesondere Natriumsulfit zudosiert wird
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Regeneriermittellösung (14) über eine dem Ionenaustauscher (10) nachgeordnete, vorzugsweise durch Calciumsulfit gebildete Feststoffschüttung (54) abgeleitet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass am Ende der Regenerierphase Wasser zur Verdrängung von Regeneriermittel durch den Ionenaustauscher (10) hindurchgeleitet wird, und dass dem Verdrängungswasser ein Reduktionsmittel, insbesondere Natriumsulfit zudosiert wird.
Ionenaustauscheranlage mit einem mit Rohwasser durchströmbaren Ionenaustauscher (10) zur Gewinnung von Weichwasser und einem über eine Leitung (22) mit dem Ionenaustauscher (10) verbindbaren Reservoir (12) zur Zuführung von Regeneriermittel während einer Regenerierphase, dadurch gekennzeichnet, dass das Reservoir (12) oder die Leitung (22) aus einem Vorrat (16) mit einer Chloritkomponente (18) beaufschlagbar ist.
Ionenaustauscheranlage nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Chloritkomponente (18) ein Erdalkali- oder Alkalichlorit ist.
Ionenaustauscheranlage nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Chloritkomponente (18) in wässriger Lösung, vorzugsweise als Natriumchloritlösung über eine Pumpe (44) in die Leitung (22) oder das Reservoir (12) zudosierbar ist.
Ionenaustauscheranlage nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass in der Leitung (22) eine Durchfluss-Elektrolysezelle (20) für die chlorithaltige Regeneriermittellösung (14) angeordnet ist.
Ionenaustauscheranlage nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchfluss-Elektrolysezelle (20) zwei umströmte Elektrodenstifte (50), vorzugsweise platinierte Titanstifte aufweist.
Ionenaustauscheranlage nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass in der Leitung (22) ein Absperrventil (36) zur Absperrung gegenüber dem Ionenaustauscher (10) angeordnet ist.