DE102014203374B4 - Elektrodenanordnung und Verfahren zum elektrochemischen Herstellen von elektrolysiertem Wasser - Google Patents

Abstract

Elektrodenanordnung (10) zum elektrochemischen Herstellen von elektrolysiertem Wasser, die eine Anodenkammer (36) und eine Kathodenkammer (34) aufweist, die durch wenigstens eine ionenselektive Membran (30) voneinander getrennt sind, wobei die Anodenkammer (36) auf zumindest einer Seite durch die Anode (2) und auf der gegenüberliegenden Seite durch die wenigstens eine Membran (30) und die Kathodenkammer (34) auf zumindest einer Seite durch die Kathode (2) und auf der gegenüberliegenden Seite durch die wenigstens eine Membran (30) begrenzt wird, wobei die Anode (2) und/oder die Kathode (2) eine Struktur (8) an der Elektrodenoberfläche (4) aufweisen, so dass der Abstand zwischen der Elektrodenoberfläche (4) und der gegenüberliegenden Seite der jeweiligen Kammer entlang wenigstens einer Richtung mehrfach zu- und abnimmt, wodurch durch die jeweilige Kammer strömendes Wasser durchmischt und insbesondere in eine turbulente Strömung versetzt wird, wobei es Bereiche gibt, in denen die Elektrodenoberfläche (4) die Membran (30) berührt.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Elektrodenanordnung zum elektrochemischen Herstellen von elektrolysiertem Wasser sowie Verfahren zum elektrochemischen Herstellen von elektrolysiertem Wasser in einer derartigen Elektrodenanordnung.
• Elektrolysiertes Wasser oder alkalisches Wasser („Alkaline Water“) wird heute in vielen Bereichen der Technik, insbesondere in der Halbleitertechnologie zur Reinigung von Oberflächen verwendet. Elektrodenanordnungen zum Herstellen dieses elektrolysierten Wassers sind beispielsweise aus der US 6,565,736 B2 und der US 7,074,316 B2 bekannt. Ein Herstellungsverfahren ist sehr anschaulich beispielsweise in dem Artikel „Electrolyzed Water as an alternative for environmentally - benign semiconductor cleaning chemicals" in der Zeitschrift clean technology, Ausgabe September 2001, 7(3), Seiten 215 bis 223 beschrieben.
• Herkömmlicherweise wird das elektrolysierte Wasser oder alkalische Wasser in der Regel in Elektrolysezellen hergestellt, die durch ionenselektive Membrane voneinander getrennt sind. In einer ersten Kammer befindet sich die Kathode der Anordnung. Eine weitere Zelle enthält die Anode. Herkömmlicherweise sind beide Elektroden beispielsweise als Platingitterelektroden oder platinierte Titanelektroden ausgebildet. Zwischen der Anodenkammer und der Kathodenkammer befindet sich eine Mittelkammer, in der sich keine Elektrode befindet. Aus der DE 10 2010 010 902 A1 ist eine entsprechende Elektrolysezelle mit drei nebeneinander angeordneten Kammern bekannt. Die DE 10 2009 039 290 A1 und die DE 699 08 476 T2 beschreiben Elektrolysezellen, bei denen nur eine Anodenkammer und eine Kathodenkammer vorhanden sind. Aus der DE 299 16 125 U1 sind Elektroden für die elektrochemische Ozonerzeugung bekannt.
• Die Anodenkammer und die Kathodenkammer werden mit Ultrareinstwasser oder deionisiertem Wasser beschickt, während die mittlere Kammer einen Elektrolytenzufluss enthält. Die Elektrolyte sind als Ionen in Wasser gelöst und werden durch eine zwischen den Elektroden angelegte elektrische Spannung im elektrischen Feld bewegt und können durch die jeweils für sie vorgesehenen ionenselektiven Membrane hindurchtreten, so dass sich in der Kathodenkammer das gewünschte elektrolysierte Wasser bildet.
• Diese Aufteilung der geteilten Elektrolysezelle und diese Verfahrensführung weisen jedoch eine Reihe von Nachteilen auf. Insbesondere ist das deionisierte Wasser des Katholyten, das sich folglich in der Kathodenkammer befindet, durch die Gitterelektrode von der eigentlichen elektrochemischen Reaktionszone getrennt. Die an der Elektrode entstehenden Ionen müssen folglich insbesondere durch Diffusion vermischt und insbesondere mit den jeweils anderen Ionen in Kontakt gebracht werden. Im Bereich der Elektrode ist jedoch auch die Strömungsgeschwindigkeit des deionisierten Wassers in den einzelnen Kammern sehr gering, so dass eine weitere Durchmischung kaum stattfindet. Dies bedeutet, dass das gewünschte elektrolysierte Wasser nur sehr langsam hergestellt werden kann. Ein weiterer Nachteil ist die übliche Verwendung von Platin- oder platinierten Titanelektroden, die trotz kathodischer Verwendung nach dem Abschalten des Systems zum Freisetzen von Metallionen in erheblichem Maße führen können. Damit wird der Produktionsprozess von Halbleiterbauelementen, die durch das elektrolysierte Wasser gereinigt werden sollen, empfindlich beeinträchtigt.
• Um eine möglichst niedrige Zellspannung zu erreichen, werden die jeweiligen Elektroden in der Nähe der die jeweilige Kammer begrenzenden Membran angeordnet. Um eine gute Durchmischung zu erreichen, können dann ausschließlich Gitterelektroden verwendet werden, durch die die jeweilige Flüssigkeit hindurchtreten kann. Diese Elektroden weisen jedoch strömungsmechanische Nachteile auf, die zu einer wenig effizienten Ionenausbeute führen.
• Hinzu kommt, dass die aus der Mittelkammer und der Anodenkammer austretende Flüssigkeit oftmals nicht in sinnvoller Weise weiter verwendet werden kann, sondern oftmals teuer und aufwändig entsorgt werden muss.
• Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Elektrodenanordnung und Verfahren vorzuschlagen, mit denen elektrolysiertes Wasser effizienter erzeugt und gleichzeitig die zu entsorgende Abwassermenge deutlich reduziert werden kann.
• Gelöst wird die gestellte Aufgabe durch eine Elektrodenanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 4 beziehungsweise mit den Merkmalen des Anspruchs 5.
• Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe durch ein Verfahren zum elektrochemischen Herstellen von elektrolysiertem Wasser in einer Elektrodenanordnung, die eine Anodenkammer und eine Kathodenkammer aufweist, die durch wenigstens eine ionenselektive Membran voneinander getrennt sind, wobei die Anodenkammer auf zumindest einer Seite durch wenigstens eine Anode und auf der gegenüberliegenden Seite durch die wenigstens eine Membran und die Kathodenkammer an zumindest einer Seite durch wenigstens eine Kathode und auf der gegenüberliegenden Seite durch die wenigstens eine Membran begrenzt werden, wobei die Anode und/oder die Kathode eine Struktur an der Elektrodenoberfläche aufweisen, so dass der Abstand zwischen der Elektrodenoberfläche und der gegenüberliegenden Seite der jeweiligen Kammer entlang wenigstens einer Richtung mehrfach zu- und abnimmt, wodurch durch die jeweilige Kammer strömendes Wasser durchmischt und insbesondere in eine turbulente Strömung versetzt wird, wobei es Bereiche gibt, in denen die Elektrodenoberfläche die Membran berührt, wobei bei dem Verfahren
1. a) Wasser, insbesondere destilliertes Wasser oder Ultrareinstwasser, in dem sich ein Elektrolyt befindet, durch die Anodenkammer geleitet wird,
2. b) Wasser, insbesondere destilliertes Wasser oder Ultrareinstwasser, durch die Kathodenkammer geleitet wird,
3. c) und eine elektrische Spannung an Anode und Kathode angelegt wird, so dass Elektrolyt-Ionen durch die wenigstens eine Membran hindurchtreten und in der Kathodenkammer elektrolysiertes Wasser entsteht.
• Ein derartiges Verfahren verfügt gegenüber dem aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren über eine Reihe von Vorteilen. Zum einen muss die Elektrodenanordnung nicht über drei separate Kammern verfügen, sondern ist mit einer Anodenkammer und einer Kathodenkammer ausreichend ausgestattet. Da die Anodenkammer und die Kathodenkammer auf zumindest einer Seite durch die jeweilige Anode beziehungsweise Kathode begrenzt sind, ist das Wasser, das durch die jeweilige Kammer geleitet wird, nicht mehr durch die Elektrode von der eigentlichen elektrochemischen Reaktionszone getrennt, wie dies bei Gitterelektroden der aus dem Stand der Technik bekannten Anordnungen der Fall ist.
• Hinzu kommt, dass das Wasser in zumindest einer der beiden Kammern durchmischt und insbesondere in eine turbulente Strömung versetzt wird. Dieser Effekt wird durch die bei der Elektrolyse entstehenden Gasblasen verstärkt. Aufgrund ihres Auftriebes führen diese Gasblasen zu einer weiteren Durchmischung, wobei die Mengen der erzeugten Gasblasen stromdichteabhängig ist. Je größer folglich der Strom gewählt wird, mit dem die Elektrodenanordnung betrieben wird, desto mehr Gasblasen entstehen und desto größer und besser ist die Durchmischung. Dies hat zur Folge, dass die an der jeweiligen Elektrode entstandenen Ionen deutlich schneller im Wasser verteilt werden können, als dies über einen hauptsächlich diffusionsgesteuerten Prozess, wie er aus dem Stand der Technik bekannt ist, der Fall wäre. Aufgrund dieser Durchmischung entsteht das begehrte „Alkaline Water“ in der geforderten Qualität in erheblich kürzerer Zeit, wodurch bereits die erste Energieeinsparung realisiert wird. Auch die Tatsache, dass nur eine zweikomponentige Elektrodenanordnung mit lediglich einer Anodenkammer und einer Kathodenkammer benötigt wird, führt zu einer weiteren Einsparung elektrischer Energie. Zudem sinkt die Menge an zu entsorgendem Abwasser, da lediglich das durch die Anodenkammer strömende Wasser gegebenenfalls als Abwasser entsorgt werden muss.
• Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe zudem durch ein Verfahren zum elektrochemischen Herstellen von elektrolysiertem Wasser und ozonisiertem Wasser in einer Elektrodenanordnung, die eine Anodenkammer, eine Kathodenkammer und eine zwischen der Anodenkammer und der Kathodenkammer angeordnete Mittelkammer aufweist, die jeweils durch eine ionenselektive Membran voneinander getrennt sind, wobei die Anodenkammer auf zumindest einer Seite durch wenigstens eine Anode und auf der gegenüberliegenden Seite durch wenigstens eine der ionenselektiven Membrane und die Kathodenkammer an zumindest einer Seite durch wenigstens eine Kathode und auf der gegenüberliegenden Seite durch wenigstens eine der ionenselektiven Membrane begrenzt werden, wobei die Anode und/oder die Kathode eine Struktur an der Elektrodenoberfläche aufweisen, so dass der Abstand zwischen der Elektrodenoberfläche und der gegenüberliegenden Seite der jeweiligen Kammer entlang wenigstens einer Richtung mehrfach zu- und abnimmt, wodurch durch die jeweilige Kammer strömendes Wasser durchmischt und insbesondere in eine turbulente Strömung versetzt wird, wobei es Bereiche gibt, in denen die Elektrodenoberfläche die Membran berührt, wobei bei dem Verfahren:
1. a) Wasser, insbesondere destilliertes Wasser oder Ultrareinstwasser, durch die Anodenkammer und durch die Kathodenkammer geleitet wird,
2. b) Wasser, insbesondere destilliertes Wasser oder Ultrareinstwasser, in dem sich ein Elektrolyt befindet, durch die Mittelkammer geleitet wird,
3. c) eine elektrische Spannung an Anode und Kathode angelegt wird, so dass Elektrolyt-Ionen durch wenigstens eine Membran hindurchtreten und in der Kathodenkammer elektrolysiertes Wasser und in der Anodenkammer ozonisiertes Wasser entstehen.
• Durch diese Anordnung wird zwar der energetische Vorteil einer Zweikammeranordnung aufgegeben, gleichzeitig lässt sich jedoch zusätzlich zu dem gewünschten elektrolysierten Wasser in der Kathodenkammer ozonisiertes Wasser in der Anodenkammer herstellen, das ebenfalls als Reinigungs- und insbesondere als Desinfektionsmittel geeignet ist und verwendet werden kann. Die erhöhte Effizienz bei der Herstellung dieser beiden Produkte durch das Vermischen und insbesondere in turbulente Strömung Versetzen der jeweiligen Flüssigkeit in der Anodenkammer und/oder der Kathodenkammer wird weiterhin realisiert. Hinzu kommt auch hier, dass das Wasser in der Anodenkammer und in der Kathodenkammer nicht durch die jeweilige Elektrode von der elektrochemischen Reaktionszone getrennt ist, da auch in dieser Ausgestaltung nicht die aus dem Stand der Technik bekannten Gitterelektroden verwendet werden.
• In einer beispielhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird demineralisierendes Wasser direkt durch die Anodenkammer der Elektrolysezelle geleitet. Anodisch wird dabei durch die Elektrolyse ab etwa einem Strom von ca. 2 Ampere, der einer Stromdichte von ca. 14 mA pro cm² entspricht, Ozon nachweisbar erzeugt und im Wasser gelöst. Dabei steigt die Ozonproduktion mit zunehmendem Strom linear an. Die erzeugte Menge an Ozon pro gewählter Zeiteinheit ist dabei von der Größe des Volumenstroms der Flüssigkeit, die durch die Kammern geleitet wird, nahezu unabhängig. Allerdings kommt es bei unterschiedlichen Volumenströmen zu unterschiedlichen hydrodynamischen Zuständen, wodurch mehr oder weniger des gasförmigen Ozons im Wasser gelöst werden kann. Ein größerer Volumenfluss führt zu größeren Turbulenzen innerhalb der jeweiligen Kammer und damit zu kleineren Gasblasen des an der Anodenoberfläche erzeugten Ozons. Durch die kleineren Gasblasen wird die Kontaktfläche bzw. Grenzfläche zwischen dem gasförmigen Ozon und dem umgebenden Wasser erhöht, so dass mehr Ozon im Wasser gelöst werden kann.
• Um möglichst viel Ozon in einer vorgegebenen Menge Wasser zu lösen, ist es folglich nicht unbedingt ratsam, die Strömungsgeschwindigkeit des Wassers zu reduzieren und so dafür zu sorgen, dass das Wasser möglichst lange im Kontakt mit der Anodenoberfläche bleibt. Unter bestimmten Umständen ist es sinnvoller, die Strömungsgeschwindigkeit größer zu wählen, so dass anteilig mehr Ozon im Wasser gelöst werden kann. Sollte auf diese Weise keine ausreichende Ozonkonzentration im Wasser erreicht werden können, kann das Wasser erneut durch die Anodenkammer geleitet werden und so die Ozonkonzentration erhöht werden. Dabei gilt es jedoch zu beachten, dass Ozon im Wasser einem natürlichen Zerfall in Sauerstoff unterliegt.
• Unabhängig von der tatsächlichen Ausgestaltung der Elektrodenanordnung hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn die Anode und/oder die Kathode eine Elektrodenoberfläche aufweisen, die eine Struktur aufweist, so dass der Abstand zwischen der jeweiligen Elektrodenoberfläche und der gegenüberliegenden Seite der jeweiligen Kammer in zumindest einer Richtung mehrfach zu- und abnimmt, wobei die Struktur wenigstens 30 %, bevorzugt wenigstens 50 %, weiter bevorzugt wenigstens 60 %, weiter bevorzugt wenigstens 75 % und besonders bevorzugt wenigstens 90 % der Elektrodenoberfläche bildet, wobei das Wasser in der Anodenkammer und/oder der Kathodenkammer durch die Struktur der Elektrodenoberfläche durchmischt, insbesondere in eine turbulente Strömung versetzt, wird. Die Struktur weist dabei vorzugsweise eine Tiefe von wenigstens 0,2 mm auf. Dies bedeutet, dass der Abstand zwischen der Elektrodenoberfläche und der gegenüberliegenden Seite der Kammer in zumindest einer Richtung mehrfach um wenigstens 0,2 mm zu- und abnimmt.
• Unter der Elektrodenoberfläche wird dabei die reale Oberfläche der Elektrode verstanden, also die Fläche, die beim bestimmungsgemäßen Gebrauch der Elektrodenanordnung mit einer Flüssigkeit in Kontakt kommt. Handelt es sich bei der Struktur beispielsweise um wenigstens eine in die Elektrode eingebrachte Rechtecknut, zählen sowohl der Grund oder der Boden dieser Nut als auch die Seitenwände der Nut mit zur Elektrodenoberfläche, da sie beim bestimmungsgemäßen Gebrauch der Elektrodenanordnung mit Flüssigkeit in Kontakt kommen. Die Elektrodenoberfläche wird somit durch die Struktur gegenüber einer ebenen Fläche vergrößert. Als Struktur wird dabei insbesondere alles verstanden, was die Elektrodenoberfläche gegenüber einer planen Fläche mit den gleichen Außenabmessungen vergrößert, insbesondere Erhöhungen und/oder Vertiefungen. Die plane Fläche mit gleichen Außenabmessungen wie die Elektrode wird in folgendem als Grundfläche der Elektrode bezeichnet und weist folglich definitionsgemäß keinerlei Strukturen auf.
• Durch diese Ausgestaltung der Elektrodenoberflächen der Anode und/oder der Kathode wird bereits eine ausreichende Durchmischung der Flüssigkeit in der jeweiligen Kammer erreicht, ohne dass separate Bauteile, wie beispielsweise statische Turbulatoren, nötig sind. Dadurch wird einerseits die Anzahl der nötigen Bauelemente verringert und andererseits die für die Elektrolyse zur Verfügung stehende Elektrodenoberfläche vergrößert, so dass auch hierdurch eine Effizienzsteigerung erreicht wird. Damit wird eine ausreichende Durchmischung und turbulente Strömung erreicht, die nötig ist, um Massentransportphänomene, wie beispielsweise die Diffusion, nicht als Limitierung der elektrochemischen Effizienz zu betrachten. Die Anode und die Kathode können dabei mit identischen oder auch mit unterschiedlichen Strukturen ausgebildet sein. Sie können zudem aus dem gleichen oder aus unterschiedlichen Materialien hergestellt sein.
• Die Struktur in der Elektrodenoberfläche ist dabei derart ausgebildet, dass der Abstand zwischen der Elektrodenoberfläche und der zweiten Seite, die die Durchflusskammer auf der der Elektrode gegenüberliegenden Seite begrenzt, entlang wenigstens einer Richtung mehrfach zu- und abnimmt. Diese wenigstens eine Richtung kann beispielsweise die Durchflussrichtung sein. Die Struktur umfasst vorteilhafterweise eine Vielzahl von Vertiefungen, die nahezu beliebige Formen aufweisen können. Werden mehrere dieser Vertiefungen, die untereinander identisch oder unterschiedlich ausgebildet sein können, entlang der wenigstens einen Richtung hintereinander angeordnet, führt dies zum gewünschten Effekt, dass der Abstand zwischen der Elektrodenoberfläche und der zweiten Seite der Durchflusskammer mehrfach zu- und abnimmt.
• Als vorteilhaft hat sich herausgestellt, wenn der genannte Abstand in mehr als nur dieser einen Richtung mehrfach zu- und abnimmt. In einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Elektrodenoberfläche mit einer Struktur versehen, die dafür sorgt, dass in jeder Richtung, die sich parallel zur Elektrodenoberfläche erstreckt, der Abstand zwischen der Elektrodenoberfläche und der gegenüberliegenden zweiten Seite der Durchflusskammer mehrfach zu- und abnimmt. Dabei gibt es auch Bereiche, in denen der Abstand zu Null wird, so dass die Elektrodenoberfläche die gegenüberliegende Seitenwand berührt. Dabei ist natürlich wichtig, dass die elektrische Isolierung zwischen den beiden Elektroden der Elektrodenanordnung weiter gewahrt bleibt. Bereiche, in denen der Abstand zwischen der Elektrodenoberfläche und der gegenüberliegenden zweiten Seite Null wird, können beispielsweise linienförmig angeordnet sein oder inselartig über die Durchflusskammer verteilt sein. Die tatsächlich gewählte Form der Struktur sowie der die Struktur bildenden Strukturelemente hängen dabei von den gewünschten Reaktionen, den gewählten Flüssigkeiten sowie den benötigten Durchflussmengen und den anzulegenden elektrischen Spannungen und dem elektrischen Strom ab.
• Unter der Struktur, die wie bereits dargelegt aus einer Vielzahl von Strukturelementen bestehen kann, wird im Rahmen dieser Anmeldung folglich der Teil der Elektrodenoberfläche verstanden, bei dem der Abstand zwischen der Elektrodenoberfläche und der gegenüberliegenden Seite der Durchflusskammer variiert, mithin also entlang zumindest einer Richtung mehrfach zu- und abnimmt.
• Bei den hier beschriebenen Elektrodenanordnungen wird die Anodenkammer und/oder die Kathodenkammer auf zumindest einer Seite durch die jeweilige Elektrode begrenzt. Dies bedeutet natürlich zwangsläufig, dass insbesondere in diesen Kammern die Durchflussrichtung der Flüssigkeit - anders als beispielsweise bei aus dem Stand der Technik bekannten Lochelektroden - parallel zur Elektrodenoberfläche verläuft.
• Die Struktur in der Anodenoberfläche und/oder der Kathodenoberfläche verfügt vorteilhafterweise über eine Vielzahl von Vertiefungen oder Nuten oder Rillen, die beispielsweise eine variierende Breite und/oder Tiefe aufweisen können. Es kann sich um Kanäle mit definierter Breite und Tiefe handeln, wobei auch hier Breite und/oder Tiefe im Verlauf der jeweiligen Kanäle variieren können. Auch Kanäle mit konstanter Breite und Tiefe sind möglich. Die Kanäle können parallel zueinander, einander in einem Winkel kreuzend, der vorzugsweise 90 Grad beträgt, oder beispielsweise wellenförmig oder gekrümmt angeordnet sein. Die Abstände zwischen den einzelnen Vertiefungen, Rillen, Nuten oder Kanälen können äquidistant über die gesamte Elektrodenoberfläche sein oder variierend ausgewählt werden. So kann es von Vorteil sein, wenn beispielsweise in einigen Bereichen der Elektrodenoberfläche der Anode und/oder der Kathode mehr Elemente vorhanden sind, die die Struktur bilden, als dies in anderen Bereichen der jeweiligen Elektrodenoberfläche der Fall ist. Auf diese Weise lassen sich gezielt Bereiche mit turbulenter Strömung und guter Durchmischung der durch die jeweiligen Kammern fließenden Flüssigkeit erreichen, die sich mit Bereichen von ruhiger und laminarer Strömung abwechseln. In einer bevorzugten Ausgestaltung verfügt die Struktur über eine Vielzahl von Vertiefungen, die einander insbesondere überlappen können und beispielsweise kugelflächensegmentförmig ausgebildet sind. Es handelt sich folglich um Vertiefungen, in denen die Elektrodenoberfläche der Anode und/oder der Kathode kugelflächensegmentförmig, vorzugsweise nach innen, also von der der Elektrode gegenüberliegenden Wand der jeweiligen Kammer weg, gekrümmt ist. Wenn mehrere dieser Vertiefungen einander überlappen, bedeutet dies, dass die eine jeweilige Vertiefung umgebende Randlinie nicht kreisförmig ist. Zudem liegt eine derartige Linie nicht in einer konstanten Ebene. Natürlich sind auch Vertiefungen denkbar, die nicht kugelflächensegmentförmig ausgebildet sind, sondern beispielsweise polygonale, paraboloide oder unregelmäßige Formen aufweisen. Auch hier können Bereiche größerer Vertiefungsdichte, bei denen folglich mehr Vertiefungen in einem bestimmten Flächenabschnitt vorhanden sind, sich mit Bereichen geringerer Vertiefungsdichte abwechseln, in denen die Anzahl von Vertiefungen pro Flächeneinheit geringer ausfällt. Auch hierdurch lassen sich die Strömungen im Innern der jeweiligen Anodenkammer und/oder der Kathodenkammer beeinflussen und gezielt auf die gewünschten Parameter einstellen.
• In einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens wird durch die unterschiedlichen Kammern der Elektrodenanordnung eine unterschiedliche Menge Wasser geleitet. Insbesondere weil der Katholytfluss direkt an den elektrochemisch aktiven Elektrodenoberflächen erfolgt und es vorteilhafterweise sowohl in der Anodenkammer als auch in der Kathodenkammer zu einer ausreichenden und guten Durchmischung und turbulenten Strömung der Flüssigkeit kommt, ist es möglich, die Durchflussmengen in den jeweiligen Kammern aufeinander abzustimmen. So ist es beispielsweise möglich, die für die Herstellung von elektrolysiertem Wasser in der gewünschten Qualität nötige Anzahl und Dichte von Ionen und Reaktionsprodukten, die folglich in der Kathodenkammer vorliegen müssen, mit einer relativ geringen Menge des mit Elektrolyt versetzten Wassers in der Anodenkammer herzustellen. Daraus folgt, dass durch die Anodenkammer eine gegebenenfalls deutlich geringere Menge an Flüssigkeit pro Zeiteinheit geleitet werden muss, als dies in der Kathodenkammer der Fall ist, in der das gewünschte elektrolysierte Wasser hergestellt wird.
• Als vorteilhaft hat sich dabei herausgestellt, wenn durch die Kathodenkammer beziehungsweise die Anodenkammer mehr als doppelt so viel, bevorzugt mehr als fünfmal so viel, besonders bevorzugt mehr als zehnmal so viel Wasser wie durch die Anodenkammer beziehungsweise die Kathodenkammer geleitet wird. Auch wenn ein Verfahren gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung verwendet wird, so dass in der Kathodenkammer elektrolysiertes Wasser und in der Anodenkammer ozonisiertes Wasser entsteht, ist es von Vorteil, durch die unterschiedlichen Kammern der Elektrodenanordnung eine unterschiedliche Menge von Flüssigkeit zu leiten. Da in diesem Fall die Anodenkammer und die Kathodenkammer zur Produktion eines gewünschten Endproduktes es von Vorteil, wenn sowohl in der Anodenkammer als auch in der Kathodenkammer eine größere Durchflussmenge eingestellt wird, als dies beispielsweise in der Mittelkammer der Fall ist, in die in diesem Fall Reinstwasser mit einem Elektrolyten versetzt eingeleitet wird. Auf diese Weise ist es unabhängig von der verwendeten Elektrodenanordnung und den verwendeten Verfahren möglich, die Abwassermenge, die gegebenenfalls teuer und aufwändig entsorgt werden muss, drastisch zu reduzieren, wodurch die Kosten und der Energieaufwand gesenkt und gleichzeitig die Umweltverträglichkeit erhöht wird.
• Vorteilhafterweise verfügen die verschiedenen Elektroden in der Anodenkammer und der Katodenkammer über unterschiedliche Strukturen. Dadurch kann erreicht werden, dass die einzelnen Kammern unterschiedliche Volumina aufweisen, so dass bei identischem oder zumindest annähernd gleichem Druck in beiden Kammern unterschiedliche Mengen von Flüssigkeit durch die jeweilige Kammer hindurch geleitet werden können.
• Vorteilhafterweise enthält der Elektrolyt Ammoniumionen und ist vorteilhafterweise Ammoniumhydroxid. Als vorteilhaft hat sich herausgestellt, wenn das durch die Anodenkammer und/oder durch die Kathodenkammer geleitete Wasser die jeweilige Kammer mehrfach, insbesondere zweifach, durchläuft. Auf diese Weise lässt sich das jeweilige Wasser aufkonzentrieren, so dass ein höher konzentriertes elektrolysiertes Wasser oder ein höher konzentriertes ozonisiertes Wasser erreicht werden kann, ohne dass dafür die Durchflussmenge durch die jeweils anderen Kammern erhöht wird. Dadurch wird es insbesondere bei einer Dreikammervariante der Elektrodenanordnung möglich, die hergestellten Konzentrationen von ozonisiertem Wasser in der Anodenkammer und von elektrolysiertem Wasser in der Kathodenkammer nahezu völlig unabhängig voneinander einstellen zu können, ohne dass die Menge an zu entsorgendem Abwasser drastisch ansteigt. Natürlich lässt sich dieser Vorteil auch mit mehreren hintereinander angeordneten Anodenkammern beziehungsweise Kathodenkammern erreichen.
• Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe zudem durch eine Elektrodenanordnung zum elektrochemischen Herstellen von elektrolysiertem Wasser, die eine Anodenkammer und eine Kathodenkammer aufweist, die durch wenigstens eine ionenselektive Membran voneinander getrennt sind, wobei die Anodenkammer auf zumindest einer Seite durch die Anode und auf der gegenüberliegenden Seite durch die wenigstens eine Membran und die Kathodenkammer auf zumindest einer Seite durch die Kathode und auf der gegenüberliegenden Seite durch die wenigstens eine Membran begrenzt wird, wobei die Anode und/oder die Kathode eine Struktur in der Elektrodenoberfläche aufweisen, so dass der Abstand zwischen der Elektrodenoberfläche und der gegenüberliegenden Seite der jeweiligen Kammer entlang wenigstens einer Richtung mehrfach zu- und abnimmt, wodurch durch die jeweilige Kammer strömendes Wasser durchmischt, insbesondere in eine turbulente Strömung versetzt, wird, wobei es Bereiche gibt, in denen die Elektrodenoberfläche (4) die Membran (30) berührt. Bei einer derartigen Elektrodenanordnung hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn die Anode und die Kathode unterschiedliche Strukturen aufweisen. Auf diese Weise ist es möglich, die Elektrodenoberflächen an die jeweiligen Anforderungen und Bedürfnisse, die beispielsweise von Durchflussmenge, gewünschter Konzentration und verwendeten Ionen abhängen, anzupassen.
• Als vorteilhaft hat es sich herausgestellt, wenn die Anode und die Kathode Diamantelektroden sind. Diamantelektroden sind aus dem Stand der Technik prinzipiell bekannt und verfügen über eine feinkristalline Diamantschicht an der Oberfläche eines dreidimensionalen Grundkörpers. Bei herkömmlichen katalytisch aktiven Elektrodenmaterialien, bei denen die elektrochemischen Reaktionen potentialkontrolliert ablaufen und die beispielsweise bei Metall-, Graphit- oder Mischoxidelektroden vorliegen, wird durch die Strukturierung die Ausbildung des elektrischen Feldes an der Elektrodenoberfläche relativ zur Gegenelektrode beeinflusst. Die Stärke des elektrischen Feldes variiert folglich entlang der Oberfläche der jeweiligen Elektrode, so dass es auch zu einer räumlich inhomogenen Entstehung von Elektrolyt-Ionen kommt. Auch wenn die genannten Materialien für eine hier beschriebene Vorrichtung und zum Durchführen des hier beschriebenen Verfahrens geeignet sind, sind Diamantelektroden diesen Materialien vorzuziehen. Bei Diamantelektroden handelt es sich um Elektroden mit einem Grundkörper aus einem Substrat, beispielsweise Silizium, auf das eine polykristalline Diamantschicht aufgebracht ist. Diese nicht-katalytisch aktiven Elektroden können stromkontrolliert betrieben werden, so dass es trotz der Strukturierung zu einer homogeneren Verteilung des elektrischen Feldes an der Oberfläche der Elektrode kommt. Auf diese Weise werden folglich die Vorteile der vorliegenden Erfindung realisiert, ohne dass es zu den Nachteilen durch eine deutlich inhomogene Feldverteilung und eine damit einhergehende inhomogene lonenerzeugung kommt.
• Zudem liegen bei der hier beschriebenen Ausgestaltung die Membrane großflächiger an den Elektroden an, als dies beispielsweise bei den Gitterelektroden aus dem Stand der Technik der Fall ist. Daher wird zum einen der Kontakt zwischen der Elektrode und Membran verbessert und zum anderen die thermische und/oder mechanische Belastung der Membrane, denen diese ausgesetzt sind, reduziert.
• Mit Hilfe der beigefügten Zeichnungen wird anschließend ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung näher erläutert. Es zeigen
• 1a bis 1d - eine Elektrode für eine Elektrodenanordnung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung in unterschiedlichen Ansichten,
• 2a und 2b - - zwei Schnittdarstellungen durch eine Elektrodenanordnung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,
• 3 - eine schematische Darstellung einer Elektrodenanordnung für ein Verfahren gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
• 1a zeigt eine Elektrode 2 mit Blick auf eine Elektrodenoberfläche 4. Die Elektrodenoberfläche 4 verfügt über eine Vielzahl von Vertiefungen 6, die im gezeigten Ausführungsbeispiel kugelflächensegmentförmig ausgebildet sind. Die Vertiefungen 6 bilden gemeinsam eine Struktur 8 der Elektrodenoberfläche 4. Man erkennt, dass die einzelnen Vertiefungen 6 einander überlappen, so dass die in 1a gezeigten Begrenzungslinien der Vertiefungen 6 nicht exakt kreisförmig ausgebildet sind.
• 1b zeigt die Elektrode 2 in einer Seitenansicht. Man erkennt die einzelnen Vertiefungen 6, die nebeneinander angeordnet sind und in der Seitenansicht unterschiedlich tief dargestellt sind. Zwischen den einzelnen Vertiefungen 6 gibt es Bereiche, in denen die Elektrodenoberfläche 4 über keine Vertiefungen 6 verfügt. Bei der Elektrode 2 handelt es sich vorteilhafterweise um eine Diamantelektrode, die die bereits aufgezeigten Vorteile aufweist.
• 1 c ist eine Schnittdarstellung entlang der Linie A-A aus 1a. Man erkennt hier, dass die einzelnen Vertiefungen 6 einander überlappen, so dass die zwischen zwei benachbarten Vertiefungen 6 entstehenden Strukturen nicht die volle Höhe der Elektrodenoberfläche 4 erreichen, wie sie beispielsweise zwischen zwei benachbarten Linien von Vertiefungen 6 vorhanden ist.
• 1d zeigt eine schematische 3D-Ansicht der Elektrode 2 mit einer Vielzahl an Vertiefungen 6. Natürlich können die Vertiefungen 6 auch andere geometrische Formen aufweisen und müssen nicht regelmäßig angeordnet sein.
• Die 2a und 2b zeigen Schnittdarstellungen durch eine Elektrodenanordnung 10, die in einem Gehäuse 12 angeordnet ist. Das Gehäuse 12 umfasst im gezeigten Ausführungsbeispiel zwei Kammergehäuse 14, die seitlich von zwei Abdeckplatten 16 abgedeckt werden. 2a zeigt einen Längsschnitt durch die Elektrodenanordnung 10. Man erkennt die beiden Kammergehäuse 14, die über jeweils einen Zulauf 22 und jeweils einen Ablauf 24 verfügen. Die seitlich angeordneten Abdeckplatten 16 weisen jeweils einen elektrischen Anschluss 20 auf, über den die elektrische Spannung auf die Elektroden 2 übertragen wird. Die beiden Elektroden 2 sind über Kontaktfedern 26 und Kontaktplatten 28 mit den elektrischen Anschlüssen 20 elektrisch verbunden. Die Elektroden 2 können auf diese Weise mit elektrischem Strom und einer elektrischen Spannung versorgt werden. Zwischen den beiden Elektroden 2 befindet sich eine Membran 30, durch die die zwei Kammern, nämlich die Anodenkammer und die Kathodenkammer, voneinander getrennt sind.
• Die in 2 a gezeigte Elektrodenanordnung 10 verfügt lediglich über eine Anodenkammer und eine Kathodenkammer. Die zu bearbeitende Flüssigkeit tritt durch den jeweiligen Zulauf 22 in die jeweilige Kammer ein und kommt hier in Kontakt mit der zur jeweiligen Kammer gehörenden Elektrode 2 oder zumindest mit dem durch die Elektroden 2 aufgebauten elektrischen Feld. Dadurch wird die elektrochemische Behandlung vorgenommen. Anschließend tritt die jeweilige Flüssigkeit durch den jeweiligen Ablauf 24 wieder aus. Die beiden in 2a nicht explizit dargestellten Kammern werden folglich auf der jeweils äußeren Seite durch die jeweilige Elektrode 2 und auf der gegenüberliegenden Innenseite durch die Membran 30 beschränkt, die eine ionenselektive Membran 30 ist.
• 2b zeigt eine Querschnittdarstellung durch die Elektrodenanordnung 10 mit ihren Kammergehäusen 14 und den Abdeckplatten 16. Auch hier sind Elektroden 2, Kontaktfedern 26, Kontaktplatten 28 und elektrische Anschlüsse 20 dargestellt. Zwischen den beiden Elektroden 2 verläuft die Membran 30, die die beiden auch in 2b vorhandenen Kammern voneinander trennt.
• In 2b sind zudem die Bohrungen 18 in den Abdeckplatten 16 gezeigt, durch die Schrauben 32 geführt sind, um für einen sicheren Halt der Abdeckplatten 16 und der Kammergehäuse 14 aneinander zu sorgen. Man erkennt in 2b die Struktur 8 an der jeweiligen Innenseite der Elektrode 2, die die Elektrodenoberfläche 4 bildet.
• 3 zeigt schematisch einen Schnitt durch eine Elektrodenanordnung 10. Die Elektrodenanordnung 10 verfügt über zwei Kammern, von denen die linke eine Kathodenkammer 34 und die rechte einen Anodenkammer 36 ist. Die Kathodenkammer 34 wird über ihren Zulauf 22 mit deionisiertem und/oder demineralisiertem Wasser gespeist. Über den Zulauf 22 der Anodenkammer 36 wird Wasser zugeführt, in dem sich ein Elektrolyt befindet, der in diesem Fall Ammoniumionen enthält. Zwischen der Kathodenkammer 34 und der Anodenkammer 36 befindet sich die Membran 30, die ionensensitiv ausgebildet ist.
• In der Kathodenkammer 34 wird Wasser unter Zugabe von Elektronen, die von der Kathode 2 geliefert werden, in H₂ -Moleküle und OH^- -Ionen aufgespalten. Dabei gilt 6H₂O+6e^-→3H₂+6OH^-.
• In der Anodenkammer 36 hingegen wird Wasser unter Abgabe von Elektronen, die von der Anode 2 aufgenommen werden, in Ozon und H⁺-Ionen aufgespalten. Hier gilt 3H₂O→-6H⁺+O₃+6e^-.
• Die ionenselektive Membran 30 ist dabei so ausgebildet, dass nur positive Ionen durch die Membran 30 hindurchtreten können. Dies sind vorliegend die Wasserstoffionen H⁺ sowie die Ammoniumionen NH₄ ⁺. Auf diese Weise entstehen die Zusammensetzungen, die an den Abläufen 24 der Kathodenkammer 34 und der Anodenkammer 36 dargestellt sind und durch diese Abläufe 24 die jeweilige Kammer verlassen.
• Bezugszeichenliste

2

Elektrode, Anode, Kathode

4

Elektrodenoberfläche

6

Vertiefung

8

Struktur

10

Elektrodenanordnung

12

Gehäuse

14

Kammergehäuse

16

Abdeckplatte

18

Bohrung

20

Elektrischer Anschluss

22

Zulauf

24

Ablauf

26

Kontaktfeder

28

Kontaktplatte

30

Membran

32

Schraube

34

Kathodenkammer

36

Anodenkammer

Claims (10)

1. Elektrodenanordnung (10) zum elektrochemischen Herstellen von elektrolysiertem Wasser, die eine Anodenkammer (36) und eine Kathodenkammer (34) aufweist, die durch wenigstens eine ionenselektive Membran (30) voneinander getrennt sind, wobei die Anodenkammer (36) auf zumindest einer Seite durch die Anode (2) und auf der gegenüberliegenden Seite durch die wenigstens eine Membran (30) und die Kathodenkammer (34) auf zumindest einer Seite durch die Kathode (2) und auf der gegenüberliegenden Seite durch die wenigstens eine Membran (30) begrenzt wird, wobei die Anode (2) und/oder die Kathode (2) eine Struktur (8) an der Elektrodenoberfläche (4) aufweisen, so dass der Abstand zwischen der Elektrodenoberfläche (4) und der gegenüberliegenden Seite der jeweiligen Kammer entlang wenigstens einer Richtung mehrfach zu- und abnimmt, wodurch durch die jeweilige Kammer strömendes Wasser durchmischt und insbesondere in eine turbulente Strömung versetzt wird, wobei es Bereiche gibt, in denen die Elektrodenoberfläche (4) die Membran (30) berührt.
2. Elektrodenanordnung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anode (2) und die Kathode (2) unterschiedliche Strukturen (8) aufweisen.
3. Elektrodenanordnung (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Anode (2) und die Kathode (2) Diamantelektroden sind.
4. Verfahren zum elektrochemischen Herstellen von elektrolysiertem Wasser in einer Elektrodenanordnung (10), die eine Anodenkammer (36) und eine Kathodenkammer (34) aufweist, die durch wenigstens eine ionenselektive Membran (30) voneinander getrennt sind, wobei die Anodenkammer (36) auf zumindest einer Seite durch wenigstens eine Anode (2) und auf der gegenüberliegenden Seite durch die wenigstens eine Membran (30) und die Kathodenkammer (34) auf zumindest einer Seite durch wenigstens eine Kathode (2) und auf der gegenüberliegenden Seite durch die wenigstens eine Membran (30) begrenzt werden, wobei die Anode (2) und/oder die Kathode (2) eine Struktur (8) an der Elektrodenoberfläche (4) aufweisen, so dass der Abstand zwischen der Elektrodenoberfläche (4) und der gegenüberliegenden Seite der jeweiligen Kammer entlang wenigstens einer Richtung mehrfach zu- und abnimmt, wodurch durch die jeweilige Kammer strömendes Wasser durchmischt und insbesondere in eine turbulente Strömung versetzt wird, wobei es Bereiche gibt, in denen die Elektrodenoberfläche (4) die Membran (30) berührt, wobei bei dem Verfahren: a) Wasser, in dem sich ein Elektrolyt befindet, durch die Anodenkammer (36) geleitet wird, b) Wasser durch die Kathodenkammer (34) geleitet wird, c) eine elektrische Spannung an Anode (2) und Kathode (2) angelegt wird, so dass Elektrolyt-Ionen durch die wenigstens eine Membran (30) hindurchtreten und in der Kathodenkammer (34) elektrolysiertes Wasser entsteht.
5. Verfahren zum elektrochemischen Herstellen von elektrolysiertem Wasser und ozonisiertem Wasser in einer Elektrodenanordnung (10), die eine Anodenkammer (36), eine Kathodenkammer (34) und eine zwischen der Anodenkammer (36) und der Kathodenkammer (34) angeordnete Mittelkammer aufweist, die jeweils durch eine ionenselektive Membran (30) voneinander getrennt sind, wobei die Anodenkammer (36) auf zumindest einer Seite durch wenigstens eine auf der gegenüberliegenden Seite durch wenigstens eine der ionenselektiven Membrane (30) und die Kathodenkammer (34) auf zumindest einer Seite durch wenigstens eine Kathode (2) und auf der gegenüberliegenden Seite durch wenigstens eine der ionenselektiven Membrane (30) begrenzt werden, wobei die Anode (2) und/oder die Kathode (2) eine Struktur (8) an der Elektrodenoberfläche (4) aufweisen, so dass der Abstand zwischen der Elektrodenoberfläche (4) und der gegenüberliegenden Seite der jeweiligen Kammer entlang wenigstens einer Richtung mehrfach zu- und abnimmt, wodurch durch die jeweilige Kammer strömendes Wasser durchmischt und insbesondere in eine turbulente Strömung versetzt wird, wobei es Bereiche gibt, in denen die Elektrodenoberfläche (4) die Membran (30) berührt, wobei bei dem Verfahren: a) Wasser durch die Anodenkammer (36) und durch die Kathodenkammer (34) geleitet wird, b) Wasser, in dem sich ein Elektrolyt befindet, durch die Mittelkammer geleitet wird, c) eine elektrische Spannung an Anode (2) und Kathode (2) angelegt wird, so dass Elektrolyt-Ionen durch wenigstens eine Membran (30) hindurchtreten und in der Kathodenkammer (34) elektrolysiertes Wasser und in der Anodenkammer (36) ozonisiertes Wasser entstehen.
6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Anode (2) und/oder die Kathode (2) eine Elektrodenoberfläche (4) aufweisen, die eine Struktur (8) aufweist, so dass der Abstand zwischen der Elektrodenoberfläche(4) und der gegenüberliegenden Seite der jeweiligen Kammer entlang wenigstens einer Richtung mehrfach zu- und abnimmt, wobei die Struktur (8) wenigstens 30 %, bevorzugt wenigstens 50 %, weiter bevorzugt wenigstens 60 %, weiter bevorzugt wenigstens 75 % und besonders bevorzugt wenigstens 90 % der Elektrodenoberfläche (4) bildet, wobei das Wasser in der Anodenkammer (36) und/oder der Kathodenkammer (34) durch die Struktur (8) der Elektrodenoberfläche (4) durchmischt und insbesondere in eine turbulente Strömung versetzt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 4, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass durch unterschiedliche Kammern der Elektrodenanordnung (10) unterschiedliche Mengen Wasser geleitet werden.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Kathodenkammer (34) beziehungsweise die Anodenkammer (36) mehr als doppelt so viel, bevorzugt mehr als fünfmal so viel, besonders bevorzugt mehr als zehnmal so viel Wasser wie durch die Anodenkammer (36) beziehungsweise die Kathodenkammer (34) geleitet wird.
9. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrolyt Ammoniumionen enthält und vorzugsweise Ammoniumhydroxid ist.
10. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das durch die Anodenkammer (36) und/oder durch die Kathodenkammer (34) geleitete Wasser die jeweilige Kammer mehrfach, insbesondere zweifach, durchläuft.

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