DE102009011108B4

DE102009011108B4 - Elektrolysezelle in kompakter Form

Info

Publication number: DE102009011108B4
Application number: DE200910011108
Authority: DE
Inventors: Patentinhaber gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2009-03-03
Filing date: 2009-03-03
Publication date: 2013-04-25
Anticipated expiration: 2029-03-04
Also published as: DE102009011108A1

Abstract

Elektrolysezelle (100) in kompakter Bauform, umfassend zumindest einen Elektrolysekörper (101) mit einer Kathode (102) und einer Anode (103), eine Strom-/Spannungsquelle (104) sowie einen Halteclip (4), wobei die Elektrolysezelle (100) die Form eines Kugelschreibers aufweist, die Kathode (102) rohrförmig zur Aufnahme einer zentrisch angeordneten, stabförmigen Anode (103) ausgebildet ist und die Kathode (102) und die Anode (103) mit einem geringstmöglichen Abstand zueinander membranfrei angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrolysezelle (100) mit dem Elektrolysekörper (101) als Eintauchzelle ausgebildet ist und dass der Elektrolysekörper (101) zwei Öffnungen (105, 10) aufweist, die in Erstreckungsrichtung des Elektrolysekörpers (101) voneinander beabstandet sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Elektrolysezelle in kompakter Bauform, umfassend zumindest einen Elektrolysekörper mit einer Kathode und einer Anode, eine Strom-/Spannungsquelle sowie einen Halteclip, wobei die Elektrolysezelle die Form eines Kugelschreibers aufweist, die Kathode rohrförmig und zur Aufnahme einer zentrisch angeordneten, stabförmigen Anode ausgebildet ist und die Kathode und die Anode mit einem geringstmöglichen Abstand zueinander membranfrei angeordnet sind.
Bei der Desinfektion/Entkeimung von sehr kleinen Mengen Trinkwasser (0,25 Liter–0,5 Liter) aus mit Keimen und Krankheitserregern infiziertem Wasser waren bisher hauptsächlich Chlorpräparate in Form von Tabletten oder Pulver im Einsatz. Diese Produkte sind nur begrenzt haltbar und nicht überall, z. B. im Ausland, leicht oder aufgrund von Embargo-Richtlinien grundsätzlich nicht zu beschaffen, da nur der einschlägige Fachhandel als Lieferant in Frage kommt.
Aus der US 5 795 459 A ist ein Verfahren bekannt, bei dem eine Diaphragma-Elektrolysezelle als Eintauchelektrode in das zu behandelnde Wasser eingebracht wird. Der Nachteil bei diesem Verfahren ist, dass hierbei in der abgetrennten Kammer ätzende Natronlauge (NaOH) entsteht und bei der beschriebenen Anordnung direkt in das zu behandelnde Trinkwasser gelangt. NaOH führt jedoch zu einer Erhöhung des natürlichen pH-Wertes. Die Folge ist, dass zu einer wirkungsvollen Entkeimungsleistung im Trinkwasser, beispielsweise bei einem erhöhten pH-Wert von 7,8–8, die drei- bis fünffache Menge an Oxidationsmittel erforderlich wird. Ein weiterer Nachteil ist die willkürliche und unkontrollierte Zugabe von Kochsalz (NaCl), das bei einer Überdosierung nicht restlos elektrolysiert wird und somit zu einer Geschmacksbeeinträchtigung durch Aufsalzung des zu behandelnden Trinkwassers führt.
Aus der EP 0 803 476 A1 ist ein Nottrinkwasser-Verfahren bekannt. Hierbei wird der natürliche Salzgehalt von in der Natur vorkommendem Oberflächenwasser zur Elektrolyse, das heißt Umwandlung von NaCl zu NaClO, genutzt. In diesem Gerät ist ein kleines Amperemeter integriert, welches anzeigt, ob genügend NaCl (Salzgehalt) im Wasser vorhanden ist, und bei einer Untergrenze den Benutzer darauf hinweist, dass Kochsalz hinzugegeben werden muss, bis sich ein definierter Stromfluss einstellt. Bei diesem Verfahren muss aus Sicherheitsgründen eine höhere Menge an NaClO als Oxidationsmittel erzeugt werden, da bei diesem Wasser im Rohwasserbehälter sehr hohe Werte an organischer Belastung vorliegen.
Aus der DE 2 003 426 A ist eine Vorrichtung zur Reinigung von Wasser, insbesondere für sanitäre Zwecke, ohne Zugabe von Chemikalien mittels einer in einem Wassergefäß angeordneten elektrolytischen Zelle bekannt, die beispielsweise in Toilettenanlagen verwendet werden kann. Durch den Betrieb der Elektrolysezelle sollen Krankheitserreger in Leitungssystemen von sanitären Anlagen abgetötet werden. Da dieses Verfahren für größere Mengen an aufzubereitendem Wasser vorgesehen ist, ist ein sehr komplexer und aufwendiger und teurer apparativer Aufbau erforderlich.
Aus der US 6 261 464 B1 ist eine stiftförmige Elektrolysevorrichtung bekannt, welche einen Salzvorratsbehälter, eine Spannungsquelle und einen Elektrolyseraum umfasst. Die Vorrichtung kann so ausgebildet sein, dass eine Salzlösung durch manuelle Einwirkung auf die Vorrichtung in den Elektrolyseraum überführt werden kann. Nach der elektrochemischen Erzeugung von Oxidations- bzw. Reduktionsprodukten werden diese erneut durch manuelle Einwirkung aus dem Elektrolyseraum befördert, sodass eine Flüssigkeit, wie zum Beispiel Wasser, durch die Oxidations- bzw. Reduktionsprodukte desinfiziert werden kann.
Aus der US 6 524 475 B1 ist ebenfalls eine stiftförmig ausgeführte Elektrolysevorrichtung mit einem Salzvorratsbehälter, einem Elektrolyseraum und einer Spannungsquelle bekannt. Die Aufnahme einer Salzlösung, aus der durch elektrochemische Reaktion Oxidations- bzw. Reduktionsprodukte erzeugt werden sollen, erfolgt manuell. Die Abgabe der Reaktionsprodukte erfolgt ebenfalls manuell, sodass durch die Reaktionsprodukte eine Flüssigkeit, wie zum Beispiel Trinkwasser, desinfiziert werden kann. Darüber hinaus weist die Vorrichtung einen Potentialsensor und einen Steuerkreis auf, sodass das Potential abhängig von dem Fortgang der elektrochemischen Reaktion angepasst werden kann.
Bekannt sind auch Verfahren durch Bestrahlung des Wassers mit UV-Licht. Hierbei werden Mikroorganismen ebenfalls wirkungsvoll abgetötet. Jedoch wird dabei kein Desinfektionsmittel mit einer entsprechenden Depotwirkung gegen Nachverkeimung erzeugt. Ein weiterer Nachteil ist, dass die Desinfektionswirkung messtechnisch nicht oder nur mit einem großen Aufwand unter Messung des Redoxpotentials nachgewiesen werden kann, wie dies bei Vorliegen von Überschuss-Chloräquivalenten problemlos mit der DPD-Methode (Diethyl-Phenylen-Diamin) oder mittels Lackmuspapierstreifen durch einfaches Ablesen an der Farbskala von jedem Laien möglich ist.
Weitere bekannte Verfahren zur Sterilisation von Trinkwasser sind das Abkochen mit dem Nachteil hoher Energiekosten, die technisch aufwendige Zentrifugation sowie das noch aufwendigere und teure Osmose-Verfahren.
Die Übertragung von gefährlichen Krankheitserregern, besonders in heißen Ländern, ist bereits beim Zähneputzen durch verseuchtes Trinkwasser möglich. Selbst sogenanntes Mineralwasser aus Flaschen macht hier keine Ausnahme.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur schnellen, einfachen und kostengünstigen wie sicheren Desinfektion zur Verfügung zu stellen.
Die Aufgabenstellung wird durch eine Elektrolysezelle mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die Erfindung betrifft eine kleine transportable Eintauch-Elektrolysezelle, die in einem von innen beleuchteten Kugelschreibergehäuse eingebaut ist und direkt in ein Trinkgefäß eingetaucht werden kann und in der die Kathode als Rohr und die Anode als Rundstab zentrisch mit einem definierten geringstmöglichen Abstand der Flächen parallel gegenüberliegend angeordnet und nicht durch eine Diaphragma-Membran getrennt sind. Durch eine Elektrolysezelle im Kugelschreiberformat, mit kleinsten Abmessungen und geringstem Gewicht zur Desinfektion von kontaminiertem Trinkwasser, aber auch zur wirkungsvollen Desinfektion von Wasser zur Wundbehandlung und zum Zähneputzen oder zum Abspülen von Obst und Gemüse, besonders im Ausland, steht eine Möglichkeit zum Entkeimen zur Verfügung, die vom Benutzer keine besonderen Fachkenntnisse erfordert und über eine austauschbare, eingebaute Lithium-Ionen-Batterie (Knopfzellen) oder zusätzlich auch über ein kleines Solarstrommodul mit integriertem Puffer-Akkumulator und Verbindungskabel mit Steckvorrichtung betrieben wird.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird insbesondere dadurch gelöst, dass alle erforderlichen Komponenten in einem von innen mehrfarbig beleuchteten Kugelschreibergehäuse integriert sind, keine externe Stromversorgung erforderlich ist und bei Batterieausfall eine Solarzelle im Brust-Taschenformat über einen kleinen integrierten Puffer-Akkumulator die weitere Funktion der erfindungsgemäßen Elektrolysezelle aufrechterhält.
Die Beleuchtungsstärke zeigt den Ladezustand der Batterien an und erlaubt gleichzeitig eine Beobachtung des Ausstoßes des Wasserstoffgases, was wiederum ein Indiz für den Stromfluss in der Elektrolysezelle ist und somit die Produktion von Natriumhypochlorit anzeigt.
Der Vorteil dieser Erfindung gegenüber anderen Eintauch-Elektrolysezellen liegt darin, dass nicht unnötig aufgelöstes Kochsalz in das Trinkwasser gelangt und somit die Qualität und der Geschmack nicht beeinträchtigt werden, da in der Regel der natürliche Natriumchloridgehalt des Trinkwassers ausreicht und nur bei völlig entmineralisiertem Osmosewasser eine sehr kleine Kochsalztablette mit einem Natriumchloridgehalt von nur 250 mg, als Nahrungsergänzungsmittel erhältlich in fast allen Apotheken, zugegeben muss.
Der Vorteil dieser sehr kleinen und handlichen Elektrolysezelle im Taschenformat gegenüber anderen Eintauch-Elektrolysezellen liegt darin, dass nur geringe Energiemengen (20–30 mA) für sehr kurze Betriebszeiten von ca. 1–1,5 Minuten ausreichen, um eine effiziente Desinfektion zu gewährleisten, und kein großer apparativer Aufwand an Stromversorgungsgeräten erforderlich ist.
Beim Einschalten der Betriebsspannung durch einen eingebauten Druckschalter gelangt die Gleichspannung an die Elektroden, und es wird in dem Elektrolysekörper der Elektrolysezelle Natriumhypochlorit (NaClO) erzeugt, wobei der natürliche pH-Wert des zu desinfizierenden Trinkwassers weitgehend beibehalten wird. Gleichzeitig wird jeweils eine farbige Leuchtdiode aktiviert, und durch wiederholtes Drücken des Druckschalters wird auf die nächste Leuchtdiode umgeschaltet. Bei nur einmaligem Einschaltimpuls schaltet der integrierte mikroprozessorgesteuerte Umschalter im Wechsel auf die anderen Leuchtdioden um. Dieser Zyklus dient als Zeitmesser für den individuellen Elektrolyseprozess von 1–1,5 Minuten und als Hinweis für den Betriebszustand der Elektrolysezelle.
Durch die gleichzeitige Entstehung von Wasserstoffgas (H₂) entsteht in dem Elektrolysekörper der Elektrolysezelle eine Verwirbelung und ein Überdruck, der dafür sorgt, dass das erzeugte Desinfektions- und Oxidationsmittel NaClO im oberen Bereich des Elektrolysekörpers austritt und gleichzeitig durch den Unterdruck am Fußende des Elektrolysekörpers das geregelte Nachströmen von Natriumchlorid unterstützt.
Biologisch verseuchtes Wasser wird durch das Desinfektionsverfahren keimfrei, wobei atomarer Sauerstoff (O) im Status nascendi zusammen mit dem entstandenen Chlor (Cl) eine sehr effiziente Oxidation von Kohlenstoffketten (Cn) bewirkt.
Die Erfindung wird im Weiteren anhand der Figur näher erläutert.
Es zeigt
1 eine Schnittansicht der erfindungsgemäßen Eintauch-Elektrolysezelle mit einer externen Stromversorgung.
1 zeigt in einer Schnittansicht die Darstellung einer erfindungsgemäßen Elektrolysezelle 100, bestehend aus einem Elektrolysekörper 101 mit einer Kathode 102 und einer Anode 103 sowie einer Strom-/Spannungsquelle 104.
Die kleine im Taschenformat ausgebildete Eintauch-Elektrolysezelle 100 wird direkt in ein mit Wasser gefülltes Trinkgefäß bis zur Markierungslinie 8.1 eingehängt, indem sie mittels eines höhenverstellbaren Halteclips 4 am Rand des Trinkgefäßes befestigt wird. In die Rohrkathode 12 mit der bodenseitig angeordneten Öffnung 105 dringt nun Wasser ein und verdrängt die darin befindliche Luft, die über die Öffnung 10 entweicht, bis die Rundstab-Titan-Anode 11 vollständig vom Wasser umgeben ist.
Durch Betätigen des Druckschalters 5 wird die Elektrolysezelle 100 an einer Strom-/Spannungsquelle 104 angeschlossen, und es gelangt eine Gleichstromspannung an die Kathode 102 und die Anode 103. Über eingebaute Leuchtdioden 7 (LEDs) wird die Versorgungsspannung bzw. der Stromfluss angezeigt.
Bei ausreichender Leitfähigkeit entsteht ein Elektrolysestrom. Wenn in dem Elektrolysekörper 101 eine Spannung anliegt, baut sich zwischen den Elektroden ein elektrisches Feld auf. Bei der Elektrolyse von Kochsalz (NaCl) entsteht Wasserstoff (H₂), der die entstandene Natronlauge (NaOH) durch entsprechende Verwirbelung in dem Elektrolysekörper 101 mit dem entstandenen Chlor (Cl₂) vermischt, wodurch Natriumhypochlorit (NaClO) entsteht. Der eintretende Elektrolysestrom kann auch durch das Austreten des Wasserstoffgases aus der Austrittsöffnung 10 der rohrförmig ausgebildeten Kathode 12, die aus einer Speziallegierung besteht, gut beobachtet werden. Das Austreten des Wasserstoffgases ist ebenfalls ein Indikator des Stromflusses.
Das entstandene, aufsteigende Wasserstoffgas erzeugt in dem Elektrolysekörper 101 einen leichten Überdruck, der dafür sorgt, dass das entstandene Desinfektionsmittel Natriumhypochlorit durch die seitliche Austrittsöffnung 10 austritt und in das zu desinfizierende und zu entkeimende Trinkwasser gelangt. Gleichzeitig entsteht in dem Elektrolysekörper 101 ein leichter Unterdruck, der dafür sorgt, dass gelöste Salzsole aufsteigt und in den Elektrolysekörper 101 gelangen kann.
Bei Ausfall der Lithium-lonen-Batterien 3 kann die Elektrolysezelle 100 über das Stromversorgungskabel 15 an eine externe 6 V DC Stromquelle 14, die wiederum von einem Solarstrommodul 13 gespeist wird, angeschlossen werden.
Nach Beendigung des Elektrolysevorgangs und einer Gesamteinwirkzeit von 1,0–1,5 Minuten kann die kleine im Taschenformat ausgebildete Eintauch-Elektrolysezelle 100 wieder herausgenommen werden. Das Wasser ist nun hygienisch einwandfrei und kann, falls erforderlich oder gewünscht, nun über einen offenen, drucklosen Aktivkohlefilter gefiltert werden. Das Wasser im Trinkgefäß ist nun für den menschlichen Genuss unbedenklich und hygienisch einwandfrei. Es bestehen nach dieser Behandlungsmethode keinerlei gesundheitliche Risiken mehr.
Bezugszeichenliste

1: Steckerbuchse zur externen Stromversorgung
2: Oberteil des Kugelschreibergehäuses
3: Lithium-lonen-Batterie
4: Halteclip
5: Druckschalter
6: Mikroprozessorgesteuerter Umschalter
7: Leuchtdioden (LED)
8: Lichtdurchlässiges Kunststoff-Verbindungsrohr
8.1: Eintauch-Markierung
9: positive und negative Leitungsverbindungen
10: Austrittsöffnung
11: Beschichtete Rundstab-Titananode
12: Rohr-Kathode aus Speziallegierung mit Bohrung
13: Solarstrommodul
14: Stromquelle
15: Stromversorgungskabel
16: Steckverbinder
100: Elektrolysezelle
101: Elektrolysekörper
102: Kathode
103: Anode
104: Strom-/Spannungsquelle
105: Öffnung

Claims

Elektrolysezelle (100) in kompakter Bauform, umfassend zumindest einen Elektrolysekörper (101) mit einer Kathode (102) und einer Anode (103), eine Strom-/Spannungsquelle (104) sowie einen Halteclip (4), wobei die Elektrolysezelle (100) die Form eines Kugelschreibers aufweist, die Kathode (102) rohrförmig zur Aufnahme einer zentrisch angeordneten, stabförmigen Anode (103) ausgebildet ist und die Kathode (102) und die Anode (103) mit einem geringstmöglichen Abstand zueinander membranfrei angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrolysezelle (100) mit dem Elektrolysekörper (101) als Eintauchzelle ausgebildet ist und dass der Elektrolysekörper (101) zwei Öffnungen (105, 10) aufweist, die in Erstreckungsrichtung des Elektrolysekörpers (101) voneinander beabstandet sind.
Elektrolysezelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsquelle (104) aus einer austauschbaren Lithium-Ionen-Batterie (3) besteht.
Elektrolysezelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrolysekörper (101) mehrere Anzeigeelemente aufweist, welche den Ladezustand der Batterie anzeigen.
Elektrolysezelle nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzeigeelemente als Leuchtdioden (7) ausgestaltet sind.
Elektrolysezelle nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzeigeelemente mit einem mikroprozessorgesteuerten Umschalter (6) als Zeitmesser für den Elektrolyseprozess zusammenwirken.
Elektrolysezelle nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrolysezelle (100) ein Sichtfenster zur Beobachtung der Anzeigeelemente aufweist.
Elektrolysezelle nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrolysezelle (100) einen Druckschalter (5) zum Anlegen einer Betriebsspannung zur Inbetriebnahme der Elektrolysezelle (100) aufweist.