DE102008015068A1

DE102008015068A1 - Elektrodiaphragmalyse

Info

Publication number: DE102008015068A1
Application number: DE102008015068A
Authority: DE
Inventors: Manuel Czech; André PHILIPPS; Michael Dr. Saefkow
Original assignee: Aquagroup AG
Current assignee: Aquagroup AG
Priority date: 2008-03-19
Filing date: 2008-03-19
Publication date: 2009-09-24
Also published as: ZA201006640B; WO2009115577A1; EP2254840A1; CN102015548A; CA2716560A1; US20110176991A1; US20140170059A1

Abstract

Es wird elektrochemisch behandeltes Wasser mit Elektronenmangel beschrieben, das erhältlich ist durch ein Verfahren mit den folgenden Schritten: a) Elektrolysieren von Wasser, b) Abziehen eines Teils des Katholyten aus dem System, und c) Einleiten des restlichen Katholyten in die anodische Kammer.

Description

Die Elektrolyse bezeichnet das Teilgebiet der Elektrochemie, das sich mit den Erscheinungen befasst, die auftreten, wenn Chemikalien mit Strom behandelt werden (im Gegensatz zur Galvanik, die Strom aus Chemikalien gewinnt). Der Bereich der Elektrolyse umfasst die Elektronenanregung (Leuchten von Gasen) bei geringen Stromintensitäten bis zur Zerstörung (Lyse) bei hohen Stromintensitäten.
Die Form der Elektrodiaphragmalyse hat zwischen anodischen und kathodischen Bereich eine poröse Membran gelagert, die ein Übertreten und Vermischen der an der Anode und an der Kathode entstehenden Gase verhindern soll. Diese Gase (Sauerstoff und Chlorgas an der Anode und Wasserstoff an der Kathode) bilden beim Zusammentreffen explosive Gemische: Sauerstoff und Wasserstoff, das sogenannte Knallgas, Chlorgas und Wasserstoff, das sogenannte Chlor-Knallgas. Das Diaphragma ist damit ein Explosionsschutz, der bereits 1886 eingeführt wurde. Die alternative Methode ist das Amalgam-Verfahren, bei dem die Kathode aus durchfließendem Quecksilber besteht, das die an ihm entstehenden Spaltprodukte mitreißt. Wegen des offenen Quecksilbers keine praktikable Möglichkeit.
Im Stand der Technik werden anodischer und kathodischer Raum gleichzeitig und in gleicher Strömungsrichtung mit dem gleichen Elektrolyt durchströmt; (siehe DVGW Arbeitsblatt W229 und 1). Das Diaphragma erlaubt zwei Teilströme getrennt zu gewinnen (Anodische Fraktion = Anolyt und kathodische Fraktion = Katholyt).
Das erfindungsgemäße Produkt hat eine größere Wirksamkeit gegenüber Mikroorganismen als aufgrund seines Gehaltes an chemischen Substanzen (Natriumhypochlorit) zu erwarten ist. Dies liegt an seiner oxidativen Kraft, der Eigenschaft als Elektronenakzeptor zu agieren, was wiederum an einem hohen Elektronenmangel in der Wassermatrix (Cluster) liegt. Diese wird erzielt durch eine besondere Version der Elektrodiaphragmalyse.
Dabei wird Wasser einer schwachen Stromintensität ausgesetzt. Dazu wird dem Wasser z. B. Kochsalz zugesetzt, um die Leitfähigkeit des Wassers in einem für den Vorgang optimalen Bereich zu halten. Die zugesetzte Menge sind ca. 0,2 bis 0,6% bzw. 2 bis 6 g/l. Es werden Platten-Elektroden verwendet, die zwischen sich ein homogenes Feld paralleler Feldlinien erzeugen, sodass die Feldstärke an allen Stellen im Zwischenraum gleich ist. So erfolgt eine homogene, eng begrenzte Elektrolyse im Sinne der Elektronenanregung. Das Elektrolyt wird mit konstanter Flussgeschwindigkeit von z. B. 140 l/h (bezogen auf eine 100 l/h Produktionszelle) zunächst durch den von der Kathode und dem Diaphragma gebildeten kathodischen Raum geleitet. Die Behandlung erfolgt mit vorzugsweise 15–30 Ampere. Es entsteht ein alkalisches Katholyt bei starker Gas-Bildung vor allem Wasserstoff-Gas. Die kathodische Fraktion wird dann in einen größeren Raum geleitet, der zum Entgasen dient. Durch die plötzliche Vergrößerung des Raumes kommt es zur Reduktion der Fließgeschwindigkeit und die Gasblasen können sich abscheiden. Unterstützt wird dieser Prozess durch als Koaleszer wirkende Strukturen im Flüssigkeitsstrom, wie z. B. Waben; siehe beiliegende 2.
Zwischen 10% und 50%, in der Regel 30% des Katholyts, schwämmt die Gasblasen aus und verlässt das System über die Drainage. Die restlichen 50 bis 90% werden in die anodische Kammer geführt, sodass sie diese im Gegenstrom zur kathodischen Kammer durchfließen. So wird der pH Wert auf pH 7 eingestellt. Die angeregten Elektronen wandern durch das Diaphragma in den kathodischen Raum; die elektronenarme Anolyt-Fraktion kann gewonnen werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren beruht auf einer Weiterentwicklung des Verfahrens der Elektrolyse. Mittels Kochsalz wird eine definierte Leitfähigkeit in Wasser erreicht. Durch Anlegen einer bestimmten Spannung in der Elektrolysezelle, sowie durch Justierung anderer wichtiger Parameter bei der Herstellung, werden die Wassercluster (zusammenhängende Wassermoleküle durch Magnetwirkung des Wassermoleküldipols) elektrisch entladen.
Es entstehen positiv geladene Wassercluster, die als Elektronenakzeptoren fungieren, der so genannte Elektronenhunger. Dieser sättigt sich an einem Elektronendonator, z. B. jede Form von Einzellern.
Das Verfahren unterscheidet sich grundlegend von einer klassischen Elektrolyse, die z. B. der Herstellung von Chlordioxid zugrunde liegt. Dabei wird ein vorliegendes Elektrolyt lysiert, also aufgetrennt und in Radikale zerlegt.
Auch die Elektrodiaphragmalyse, welche z. B. zur Herstellung von Natriumhypochlorit und anderer Oxidantien eingesetzt wird, ist ein solches zerlegendes Verfahren. Die Wirkung beruht auf der hergestellten Chlorchemie, welche im Anwendungsfall oxidierend auf die Umgebung reagiert.
Die Wirkung der Erfindung beruht auf der Anregung des Wassermoleküls selbst. Dieses befindet sich in einem Clusterverbund, sodass durch Anlegen einer bestimmten Stromstärke Wassermoleküle elektrisch entladen werden (ähnlich wie bei einer Neonröhre, die durch Anregung der Elektronen des Edelgases zum Leuchten gebracht wird). Im Unterschied zu klassischen elektrolytischen Verfahren, welche als bewährte Methode bereits seit über 120 Jahren in unterschiedlichen Ausprägungen im Einsatz ist, wird bei der erfindungsgemäßen Herstellung das Wassermolekül nicht in seine Bausteine OH^– und H⁺ zerlegt und bleibt pH-neutral (pH 7,0). Das Wassermolekül bleibt erhalten und tauscht die Ladungsträger innerhalb des Clusters ständig aus.
Zwar entstehen bei der Herstellung geringe Mengen an Natriumhypochlorit, diese Verunreinigung des Wassers (je nach Konzentration 0,6 bis 600 ppm) ist jedoch in den meisten Praxisanwendungen tolerabel.
Für sehr empfindliche Applikationen kann das oben beschriebene Verfahren auch zur Herstellung von Produkten herangezogen werden, welches keine Chlor basierten Reststoffe mehr enthält, sondern ausschließlich aus Wasser und Anteilen angeregter Wassermoleküle besteht.
Nachweise des Elektronenmangels als oxidativer Biozidwirkstoff
Röntgen stellt einen starken Elektroneneintrag dar. Dieser hat keine Wirkung auf z. B. eine Hypochloritlösung, die dadurch ihre mikrobiozide Wirkung nicht verliert. Das erfindungsgemäße Produkt dagegen verliert seine biozide Wirkung durch Röntgen völlig:
Versuch 1
Es wurde beobachtet, dass Versuchslösungen, die mit dem Flugzeug verschickt wurden keine Wirkung hatten. Daraufhin wurde folgender Versuch durchgeführt. Lösung A wurde einer Röntgendosis unterworfen, die bei einem 1-stündigen Flug von Frankfurt nach Berlin einwirkt. Geprüft wurde die Abtötung von E. coli im Mikrobiologischen Labor. Die Kontrolle wurde nicht geröngt, hat aber die Fahrten der Lösung A von Regensburg nach Wiesbaden und von dort zum Untersuchungslabor „mitgemacht”.

Konz. Zeit

1 min 5 min

Kontrolle 10% - -

30% - -

50% - -

Lösung A 10% + +

30% + +

50% + +

+ = Wachstum des Testkeims (Nachweis durch Subkultur)
– = kein Wachstum
Testkeim: Escherichia coli
Ausgangskeimzahl: 2,3 × 10⁴

Die Kontrolle hat auch bei nur 10%iger Lösung innerhalb von nur 1 min alle Keime abgetötet, es gab kein Wachstum. Der Transport hatte keinen Einfluss auf die Wirksamkeit.
Lösung A hat auch in 50%iger Konzentration bei 5 min Einwirkdauer keine Wirkung gezeigt, wurde also durch den Elektroneneintrag beim Röntgen völlig deaktiviert.
Versuch 2
Das erfindungsgemäße frische Produkt weist in einer 10%igen Lösung 25 ppm Hypochlorit auf (NADES).
Das in nachstehender Tabelle gezeigte NADES SC ist ein 10%iger NADES-Produkt dem das Hypochlorit völlig auf < 0,02 ppm entzogen wurde. Eine Hypochloritlösung dieser Konzentration hat keine mikrobiozide Wirkung. Die Redoxpotentiale beider Lösungen waren dennoch nahezu gleich, jedenfalls deutlich über den für Badewasser-Sanierung geforderten 600 ppm.

jeweils 10% von Redoxpotential ppm im Konzentrat Effektive ppm KBE nach 4 Tagen

NADES frisch 820 250 25 0/0

NADES SC 750 0,2 0,02 0/0
Die mikrobiozide Wirkung beider Lösungen war gleich, es trat kein Wachstum auf, auch nach 4 Tagen nicht. Ein Beweis für die Wirksamkeit des Elektronenmangels.

Claims

Elektrochemisch behandeltes Wasser mit Elektronenmangel, erhältlich durch ein Verfahren, das gekennzeichnet ist durch die folgenden Schritte: a) Elektrolysieren von Wasser, b) Abziehen eines Teils des Katholyten aus dem System, und c) Einleiten des restlichen Katholyten in die anodische Kammer.
Elektrochemisch behandeltes Wasser nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine desinfizierende Wirkung gegenüber Bakterien, Bakteriensporen, Pilzen, Pilzsporen, Viren, Prionen, einzelligen Algen oder Mischungen davon.
Elektrochemisch behandeltes Wasser nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine Gesamtkonzentration an in Schritt a) entstandenen Oxidantien von kleiner 600 ppm.
Elektrochemisch behandeltes Wasser nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch eine Gesamtkonzentration an Oxidantien von kleiner 20 ppm.
Elektrochemisch behandeltes Wasser nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch eine Gesamtkonzentration an Oxidantien von kleiner 2 ppm.
Elektrochemisch behandeltes Wasser nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Gehalt an chlorhaltigen Oxidantien, Peroxiden und Ozon jeweils kleiner als 0,02 ppm ist.
Elektrochemisch behandeltes Wasser nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass es im Wesentlichen frei von Oxidantien ist.
Elektrochemisch behandeltes Wasser nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, das in Schritt b) die Oxidantien durch ein geeignetes Sorbens entfernt werden.
Elektrochemisch behandeltes Wasser nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Sorbens unter Aktivkohle, Aluminiumoxid, Siliciumoxid, Ionenaustauscher, Zeolith oder Mischungen davon gewählt ist.
Elektrochemisch behandeltes Wasser nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass dem in Schritt a) zu elektrolysierenden Ausgangswasser zur Steigerung der Leitfähigkeit Salze, wie Salze aus Alkalimetallkationen und halogenhaltigen Anionen, schwefelhaltigen Anionen, phosphorhaltigen Anionen, Carboxylaten, Carbonaten, und Mischungen dieser Anionen, zugesetzt sind.
Elektrochemisch behandeltes Wasser nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das in Schritt a) zu elektrolysierende Ausgangswasser Natriumchlorid enthält.
Elektrochemisch behandeltes Wasser nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt a) die Elektrolyse mit einer Stromdichte von 0,5 bis 10 W/cm² durchgeführt wird.
Elektrochemisch behandeltes Wasser nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren kontinuierlich durchgeführt wird.