DE102017214810A1 - Device and method for water disinfection and preparation of a disinfectant - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung, sowie ein automatisches und wartungsfreies Verfahren zur Desinfektion von Leitungswasser, insbesondere von Trink-, - Brauch-, Regen- und Industriewasser sowie zur Zersetzung und zum Abbau von organischen Verbindungen, z. B. Nitrate, Medikamente aus dem Urin in Krankenhäusern und Altenheimen. Die Vorrichtung und das Verfahren können auch zur Herstellung von Desinfektionsmittel aus Trinkwasser eingesetzt werden.The invention relates to a device, as well as an automatic and maintenance-free method for disinfecting tap water, especially of drinking water, - used, rain and industrial water and for the decomposition and decomposition of organic compounds, eg. Nitrates, urinary medications in hospitals and retirement homes. The device and the method can also be used for the production of disinfectants from drinking water.
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur Desinfektion von Wasser, insbesondere von Trink-, Brauch-, Regen- und Industriewasser. Die Vorrichtung bzw. das Verfahren kann auch zur Herstellung von Desinfektionsmitteln aus Trinkwasser sowie zur Zersetzung beziehungsweise zum Abbau von organischen Verbindungen eingesetzt werden, z.B. in Krankenhäusern und Altenheimen von Medikamenten aus dem Urin. Ein Vorteil der Erfindung ist es, dass die in den Abwässern enthaltenen organischen Verbindungen rasch, üblicherweise innerhalb von zwei bis drei Stunden, zersetzt werden und sie somit keine Umweltbelastung, z.B. im Klärwerk, mehr darstellen.The invention relates to a device and a method for disinfecting water, in particular drinking, service, rain and industrial water. The device or the method can also be used for the production of disinfectants from drinking water and for the decomposition or decomposition of organic compounds, e.g. in hospitals and retirement homes of drugs from the urine. An advantage of the invention is that the organic compounds contained in the effluents are rapidly decomposed, usually within two to three hours, and thus they do not pollute the environment, e.g. in the sewage treatment plant, represent more.
Die Menschen in Europa werden immer älter und nehmen in ihrem Leben jede Menge Medikamente zu sich, die im Endeffekt über den Urin in die Kanalisation zum Klärwerk gelangen. Dort findet eine Aufreinigung zu Trinkwasser statt. Laut Umweltbundesamt im Bericht von 2011 wurden bereits 23 Wirkstoffe aus Medikamenten im Leitungswasser nachgewiesen. Die Umweltbelastung ist dadurch enorm hoch.People in Europe are getting older and take in their lives a lot of drugs to the end, the urine into the sewage system to the sewage treatment plant. There is a purification to drinking water instead. According to the Federal Environment Agency in the report of 2011 already 23 active substances from drugs in tap water were detected. The environmental impact is enormously high.
Die Desinfektion von Wasser ist eine allgegenwärtige Aufgabe, insbesondere im Freizeitbereich, wie z.B. bei Reisemobilen, Wohnwagen, Yachten, Booten und zur Geruchsverhinderung in mobilen Toiletten sowie zur Wassereinsparung bei Urinalen/Pissoirs und speziell dort, wo täglich viele Millionen Liter Wasser verbraucht werden, an welches bestimmte Reinheitserfordernisse geknüpft ist, wie z.B. in Flughäfen, Krankenhäusern, Hotels etc.. Die Wasserdesinfektion spielt auch eine Rollen an Orten, an denen keinerlei reguläre Stromversorgung durch Stromleitungen oder Batterien gewährleistet ist, wie in abgelegenen Gebieten, wie z.B. im Urwald, Gebirgen und in Entwicklungsländern. Dort sollte eine zuverlässige Wasserdesinfektion dennoch möglich sein, z.B. mit Hilfe von Solarzellen als Lieferant der notwendigen elektrischen Energie. Ferner kann es notwendig sein, aus Trinkwasser auf einfache Weise ein Desinfektionsmittel zu gewinnen.The disinfection of water is a ubiquitous task, especially in the leisure sector, such as. in motorhomes, caravans, yachts, boats and for preventing odors in mobile toilets and for water saving in urinals / urinals and especially where many millions of liters of water are consumed daily, to which certain purity requirements are attached, such. in airports, hospitals, hotels, etc. Water disinfection also plays a role in locations where no regular power supply is provided by power lines or batteries, such as in remote areas such as the UK. in the jungle, mountains and developing countries. Nevertheless, reliable water disinfection should be possible there, e.g. with the help of solar cells as a supplier of the necessary electrical energy. Furthermore, it may be necessary to easily obtain a disinfectant from drinking water.
Gemäß
PCT/EP2009/053255 (
Im DVGW Arbeitsblatt W 229 werden die unterschiedlichen Bauweisen der Elektrolyseverfahren zur Erzeugung einer desinfizierenden chlorhaltigen Lösung beschrieben. Die nach diesem Arbeitsblatt elektrolytisch hergestellten Natriumhypochloritlösungen sollen 20 bis 30 g/l freies Chlor beinhalten. In der DIN 19606 „Chlorgasdosieranlagen zur Wasseraufbereitung, Anlagenaufbau und Betrieb“ sind die Anforderungen an die damit erzeugten Lösungen niedergelegt. DVGW worksheet W 229 describes the different construction methods of the electrolysis process for the production of a disinfecting chlorine-containing solution. The sodium hypochlorite solutions prepared by electrolysis according to this worksheet should contain 20 to 30 g / l of free chlorine. In DIN 19606 "Chlorine gas dosing systems for water treatment, plant construction and operation" the requirements for the solutions thus generated are laid down.
Eine Prüfung der Wirksamkeit von Desinfektionsmitteln hat Herr Andreas Grunert vom Umweltbundesamt (in „Trinkwasserdesinfektion - Prüfung der Wirksamkeit von Desinfektionsmitteln“, Berlin 2011) detailliert beschrieben. Im Internet erhältlich unter http://www.bfr.bund.de/cm/343/trinkwasserdesinfektion_pruefung_der_wirksam keit_von_desinfektionsmitteln.pdfAn examination of the effectiveness of disinfectants has Mr. Andreas Grunert of the Federal Environment Agency (in "drinking water disinfection - testing the effectiveness of disinfectants", Berlin 2011) described in detail. Available on the Internet at http://www.bfr.bund.de/cm/343/trinkwasserdesinfektion_pruefung_der_wirksam keit_von_desinfektionsmitteln.pdf
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es somit, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Desinfektion von Trinkwasser sowie zum Abbau organischer Verunreinigungen im Abwasser, wie beispielsweise Urin, zur Verfügung zu stellen, welches universell einsetzbar, leicht und fehlerfrei bedienbar und wartungsfrei ist. Auf chemische Zusätze sollte verzichtet werden können. Die im Verfahren entstehende Konzentration des zur Wasserdesinfektion notwendigen freien Chlors sollte die maximal zulässige Konzentration nicht überschreiten und, im Falle der Herstellung des Desinfektionsmittels, die minimal erforderliche Konzentration an freiem Chlor nicht unterschreiten. Das erhaltene desinfizierte Wasser sollte eine Eignung als Trinkwasser aufweisen.Object of the present invention is therefore to provide a device and a method for disinfecting drinking water and for reducing organic contaminants in wastewater, such as urine, which is universally applicable, easy and error-free to use and maintenance. Chemical additives should be avoided. The concentration of the free chlorine required for water disinfection in the process should not exceed the maximum permissible concentration and, in the case of production of the disinfectant, should not fall below the minimum required concentration of free chlorine. The obtained disinfected water should have a suitability as drinking water.
Freies Chlor im Sinne der vorliegenden Erfindung ist die Summe der Stoffkonzentrationen von elementarem Chlor (Cl2), hypochloriger Säure (HOCI) und Hypochlorit (MOCI; mit M = Alkalimetall- oder Erdalkalimetallkation). In der nachfolgenden Beschreibung der Erfindung sind die Konzentrationen in mg/l angegeben, sofern nicht anders vermerkt.Free chlorine in the context of the present invention is the sum of the substance concentrations of elemental chlorine (Cl 2 ), hypochlorous acid (HOCl) and hypochlorite (MOCl, with M = alkali metal or alkaline earth metal cation). In the following description of the invention, the concentrations are in mg / L unless otherwise stated.
Kurzbeschreibung der ErfindungBrief description of the invention
1. Vorrichtung zur Desinfektion von Wasser und zur Herstellung von, insbesondere Chlor enthaltendem, Desinfektionsmittel aus Trinkwasser, umfassend
- (i) einen Wasserbehälter,
- (ii) zwei im Wasserbehälter angeordnete Elektroden, wobei die eine Elektrode die Funktion einer Anode und die andere die Funktion einer Kathode aufweist,
- (iii) einen Micro-Controller, der so konfiguriert ist, dass er die Menge an durch Elektrolyse an der Anode generiertes Chlor elektronisch steuert,
- (iv) einen Sensor, der so konfiguriert ist, dass er die dem Wasserbehälter zugeführte Wassermenge elektronisch misst.
- (i) a water tank,
- (ii) two electrodes arranged in the water container, one electrode having the function of an anode and the other having the function of a cathode,
- (iii) a microcontroller configured to electronically control the amount of chlorine generated by electrolysis at the anode,
- (iv) a sensor configured to electronically measure the amount of water supplied to the water tank.
2. Die Vorrichtung gemäß Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie weiterhin ein Photometer umfasst, das so konfiguriert ist, dass es die im Wasser vorhandene Konzentration an freiem Chlor bestimmt.2. The apparatus according to
3. Die Vorrichtung gemäß einem oder mehreren der Punkte 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus einem Trägermetall mit einer Beschichtung aus Mischmetalloxid (MMO) oder Metalloxidhalogeniden und Diamant-Elektroden.3. The device according to one or more of the
4. Die Vorrichtung gemäß Punkt 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägermetall ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Titan, Zirkonium, Platin, und Palladium.4. The device according to
5. Die Vorrichtung gemäß einem oder mehreren der Punkte 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischmetalloxid-Beschichtung Oxide von Ruthenium, Rhodium, Palladium, Osmium, Iridium, Platin, oder deren Gemische, insbesondere von Platin umfasst, oder dass die Metalloxidhalogenid-Beschichtung Oxide/Halogenide von Ruthenium, Rhodium, Palladium, Osmium, Iridium, Platin, oder deren Gemische, insbesondere von Platin umfasst.5. The device according to one or more of the
6. Die Vorrichtung gemäß einem oder mehreren der Punkte 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (i) ein kapazitiver Sensor oder (ii) ein Air-Flow kapazitiv bifunktionalen Sensor, der so konfiguriert ist, dass er die Differential-Wassermenge im Wasserbehälter elektronisch misst, oder (iii) ein Ultraschallsensor, der die Wasserhöhe im Tank misst und an den Micro-Controller weiterleitet, ist.6. The device according to one or more of
7. Die Vorrichtung gemäß einem oder mehreren der Punkte 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Micro-Controller programmierbar und so konfiguriert ist, dass er die Signale des Sensors auswertet und die Stromzufuhr an die Elektroden so steuert, dass die Konzentration an freiem Chlor im Wasser die zulässige Höchstgrenze, vorzugsweise 1,2 mg/l, mehr bevorzugt 1,0 mg/l, besonders bevorzugt 0,6 mg/l nicht überschreitet.7. The device according to one or more of
8. Die Vorrichtung gemäß einem oder mehreren der Punkte 1 bis 7, umfassend
- (i) einen Wasserbehälter,
- (ii) zwei Elektroden umfassend einen Titanträger, beschichtet mit Edelmetalloxiden ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Iridium-/Ruthenium-Mischoxid,
- (iii) einen digitalen Micro-Controller, der so konfiguriert ist, dass er die Bildung von freiem Chlor elektronisch steuert, und
- (iv) einen elektronischen, kapazitiven Sensor, der so konfiguriert ist, dass er die dem Wasserbehälter zugeführte Wassermenge misst und entsprechende Informationen an den Micro-Controller weiterleitet.
- (i) a water tank,
- (ii) two electrodes comprising a titanium support coated with noble metal oxides selected from the group consisting of iridium / ruthenium mixed oxide,
- (iii) a digital microcontroller configured to electronically control the formation of free chlorine, and
- (iv) an electronic, capacitive sensor configured to measure the amount of water supplied to the water reservoir and to pass corresponding information to the microcontroller.
9. Verfahren zu Desinfektion von Wasser und zur Herstellung von Desinfektionsmittel aus Trinkwasser unter Verwendung der Vorrichtung wie in einem oder mehreren der Punkte 1 bis 8 definiert.A method of disinfecting water and producing disinfectant from drinking water using the apparatus as defined in one or more of
10. Verfahren nach Punkt 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Konzentration von freiem Chlor im Wasser 6,0 mg/l oder weniger, 1,2 mg/l oder weniger, mehr, vorzugsweise 0,6 mg/l oder weniger, besonders bevorzugt 0,3 bis 0,6 mg/l beträgt.10. The method according to
Die durch Oxidation in Chlor und/oder Hypochlorit umgewandelten Chloridionen entstammen aus dem behandelten Leitungswasser bzw. Abwasser selbst oder können diesem beispielsweise in Form einer Zugabe von Natriumchlorid/wässirger Natriumchloridlösung zugesetzt werden. Chlor (Oxidationsstufe 0) und Hypochlorit (Oxidationsstufe +1) sind als Oxidationsmittel bekannt.The chloride ions converted by oxidation into chlorine and / or hypochlorite originate from the treated tap water or waste water itself or can be added to it, for example in the form of an addition of sodium chloride / aqueous sodium chloride solution. Chlorine (oxidation level 0) and hypochlorite (oxidation level +1) are known as oxidizing agents.
Figurenlistelist of figures
Die Zeichnungen beziehen sich auf das erfindungsgemäße Ausführungsbeispiel wie folgt:
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1 zeigt eine Messreihe von unabhängigen Messungen in grafischer Weise. -
2 zeigt den aus den Messungen errechneten Mittelwert einschließlich der statistischen Abweichung von der Konzentration (mg/l) pro Zeit (Min.). -
3 zeigt Eichkurven fürVolumen von 50 Liter und 100 Liter und deren Abhängigkeit vom Wasservolumen. -
4 zeigt die Produktion von Chlor in Abhängigkeit von der Konzentration der Kochsalzlösung. -
5 zeigt die Messung des zeitabhängigen Zerfalls des freien Chlors nach dessen Produktion. -
6 zeigt die zeitabhängige Wirkung von Chlor (0,9 mg/l) nach 25 Minuten und 45 Minuten. -
7 zeigt die Betriebsweise des Desinfektionszyklus.
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1 shows a series of independent measurements graphically. -
2 shows the average calculated from the measurements including the statistical deviation from the concentration (mg / l) per time (min). -
3 shows calibration curves for volumes of 50 liters and 100 liters and their dependence on the volume of water. -
4 shows the production of chlorine depending on the saline concentration. -
5 shows the measurement of the time-dependent decay of free chlorine after its production. -
6 shows the time-dependent effect of chlorine (0.9 mg / l) after 25 minutes and 45 minutes. -
7 shows the operation of the disinfection cycle.
Detaillierte Beschreibung der ErfindungDetailed description of the invention
Die vorliegende Erfindung betrifft eine moderne, digitale und wartungsfreie Vorrichtung zur Wasserdesinfektion sowie ein Verfahren zur Desinfektion von Wasser, insbesondere Trinkwasser. Die Vorrichtung bzw. das Verfahren sind geeignet zum Abbau von in Urin enthaltenen organischen Verbindungen. Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur Herstellung von Desinfektionsmittel aus Leitungswasser gemäß §11 der Trinkwasserverordnung (TrinkwV) von 2001 in der Fassung der Bekanntmachung vom 10. März 2016. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst dabei die elektrochemische Aktivierung (ECA) von Wasser durch Elektrolyse über zwei Elektroden, vorzugsweise ohne chemische Zusätze. Wenn nachfolgend von der Herstellung von desinfiziertem Wasser die Rede ist, so ist damit auch die Herstellung von Desinfektionsmittel (aus Trinkwasser) gemeint, und umgekehrt. Bei dem aus Trinkwasser erhaltenen Desinfektionsmittel handelt es sich um Wasser, vorzugsweise ohne weitere Zusätze, welches die nachfolgend beschriebene Mindest-/Maximalmenge an freiem Chlor enthält.The present invention relates to a modern, digital and maintenance-free device for water disinfection and a method for disinfecting water, especially drinking water. The device and the method are suitable for the degradation of organic compounds contained in urine. The invention further relates to a device and a method for producing disinfectants from tap water according to § 11 of the Drinking Water Ordinance (TrinkwV) of 2001 in the version of the announcement of 10 March 2016. The inventive method comprises the electrochemical activation (ECA) of water by Electrolysis via two electrodes, preferably without chemical additives. If the following is the production of disinfected water, so it is also the production of disinfectant (from drinking water) meant, and vice versa. The disinfectant obtained from drinking water is water, preferably without further additives, which contains the minimum / maximum amount of free chlorine described below.
Die Vorteile dieses digitalisierten Verfahrens liegen einerseits darin, dass das erhaltene Wasser (Trinkwasser bzw. Desinfektionsmittel) die vorgeschriebene freie Chlorkonzentration nicht unter-/überschreitet und zudem bedienungsfreundlich ist, der Anwender also nicht die Möglichkeit hat, Bedienungsfehler zu machen. Die Vorrichtung kann ferner, insbesondere für den portablen Betrieb, klein dimensioniert werden.On the one hand, the advantages of this digitized method are that the water obtained (drinking water or disinfectant) does not fall below the prescribed free chlorine concentration and is also user-friendly, ie the user does not have the opportunity to make operating errors. The device can furthermore be dimensioned small, in particular for portable operation.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird primär zur Wasserdesinfektion im Freizeitbereich, wie z.B. bei Reisemobilen, Wohnwagen, Yachten, Booten und zur Geruchsverhinderung in mobilen Toiletten eingesetzt sowie zur Wassereinsparung bei Urinalen/Pissoirs speziell dort, wo täglich viele Millionen Liter Wasser in Flughäfen, Krankenhäusern, Hotels verbraucht werden, die es einzuparen gilt. Das erfindungsgemäße Verfahren und die Vorrichtung ist ferner geeignet zur Wasserdesinfektion oder Herstellung eines Desinfektionsmittels unter Verwendung von durch Solarzellen erzeugter elektrischer Energie an Orten, an denen eine herkömmliche Stromversorgung durch Stromleitungen oder Batterien nicht möglich ist, wie z.B. geographisch entlegenen Orten. Zudem können Urin und andere im Abwasser enthaltenen organische Verunreinigungen, z.B. Medikamente bzw. deren ausgeschiedene Rückstände, abgebaut werden. Sie werden in ihre Ausgangskomponenten, üblicherweise Wasser und Kohlenstoffdioxid, zersetzt, so dass die Belastung durch das Abwasser deutlich reduziert wird.The inventive method is primarily used for water disinfection in the leisure sector, such as motorhomes, caravans, yachts, boats and odor prevention in mobile toilets and water to urinals / urinals especially where daily many millions of liters of water Airports, hospitals, hotels that need to be parked. The method and apparatus according to the invention is also suitable for water disinfection or preparation of a disinfectant using solar cells generated electrical energy in places where conventional power supply through power lines or batteries is not possible, such as geographically remote locations. In addition, urine and other organic impurities contained in the wastewater, eg medicines or their secreted residues, can be broken down. They are decomposed into their starting components, usually water and carbon dioxide, so that the burden of the wastewater is significantly reduced.
Trinkwasser-Sensorik:Drinking Water Sensors:
Der Generator bzw. das damit durchgeführte Verfahren soll die TrinkwV, wie oben erläutert, erfüllen. Hierfür ist eine Messung des Wasserdurchflusses notwending, um die zugegebene Wassermenge oder den Füllstand in einem Behälter festzustellen. Durch die Kontrolle des Wasserdurchflusses ist die resultierende Wassermenge beim Einschalten der Elektroden bekannt.The generator or the process carried out with it should meet the drinking water regulations, as explained above. For this purpose, a measurement of the water flow is necessary to determine the added amount of water or the level in a container. By controlling the water flow, the resulting amount of water when switching on the electrodes is known.
Nicht jeder Sensor ist jedoch für das erfindungsgemäße Verfahren geeignet. So sind beispielsweise beim Einsatz der erfindungsgemäßen Vorrichtung in Reisemobilen der Raumbedarf sowie die Kosten relevant. Die Kosten und die Lebensdauer sind auch in anderen Bereichen von Interesse. Grundsätzlich in Frage kommende Sensoren sind beispielsweise kapazitive Füllstandssensoren, Turbinensensoren, Ultraschall-Füllstandsensoren, Schwimmerschalter, Durchflusssensoren, Air-Flow bifunktionale Sensoren, induktive Sensoren oder Ultraschallsensoren.However, not every sensor is suitable for the method according to the invention. For example, when using the device according to the invention in motorhomes, the space required and the costs are relevant. The cost and the service life are also of interest in other areas. Basically eligible sensors are, for example, capacitive level sensors, turbine sensors, ultrasonic level sensors, float switches, flow sensors, bifunctional air-flow sensors, inductive sensors or ultrasonic sensors.
Der Sensor, insbesondere der kapazitive Sensor, beispielsweise erhältlich von der Firma - First Sensor und 90 × 35 × 20 mm groß, misst die dem Wasserbehälter zugeführte Wassermenge durch Luftverdrängung und wertet die Kapazitätsänderung infolge des Durchbiegens einer Membran und der daraus resultierenden Änderung des Plattenabstandes als Sensoreffekt aus. Die Membran wird hierbei, wie bei einem Kondensatormikrofon, als Kondensatorplatte ausgebildet. Die Kapazitätsänderungen sind ziemlich klein, so dass eine geeignete Verarbeitungselektronik mit hoher Empfindlichkeit integriert sein muss. Als Differenzdrucksensor erfasst der kapazitive Sensor über einen Differenzialkondensator den Druckunterschied zweier Gase oder Flüssigkeiten.The sensor, in particular the capacitive sensor, available for example from the company - First Sensor and 90 × 35 × 20 mm measures the amount of water supplied to the water tank by air displacement and evaluates the capacity change due to the bending of a membrane and the resulting change in the plate spacing as Sensor effect off. The membrane is formed here, as in a condenser microphone, as a capacitor plate. The capacitance changes are quite small, so that suitable processing electronics with high sensitivity must be integrated. As a differential pressure sensor, the capacitive sensor detects the pressure difference between two gases or liquids via a differential capacitor.
Der kapazitive Sensor misst die zugeflossene Wassermenge im Wassertank und leitet entsprechend ein Signal an den Micro-Controller. Durch die Wasserzugabe wird die Luft aus dem Trinkwassertank über den Sensor durch das Entlüftungsrohr verdrängt. Ein kapazitiver Sensor ist, bedingt durch seine Dimensionierung, auch für den portablen/mobilen Einsatz, beispielsweise in Wohnmobilen, auf Yachten, etc. sowie an entlegenen Orten geeignet.The capacitive sensor measures the inflow of water in the water tank and accordingly sends a signal to the micro-controller. The addition of water displaces the air from the drinking water tank via the sensor through the vent pipe. Due to its dimensions, a capacitive sensor is also suitable for portable / mobile use, for example in mobile homes, on yachts, etc. as well as in remote locations.
Eine Vorrichtung mit einem Turbinensensor, der die zugegebene Wassermenge messen soll, ist für den nachträglichen Einbau, beispielsweise bei bereits betriebenen Fahrzeugen, bedingt durch Handling und Platzmangel, eher weniger geeignet. Dieser Sensor kann jedoch direkt bei der Fahrzeugherstellung berücksichtigt und problemlos installiert werden. Er ist für den nachträglichen Einbau von Urinalen beispielsweise in Flughäfen oder Krankenhäusern geeignet.A device with a turbine sensor, which is to measure the added amount of water, is rather less suitable for retrofitting, for example in already operated vehicles due to handling and lack of space. However, this sensor can be considered directly in vehicle manufacturing and easily installed. It is suitable for retrofitting urinals, for example in airports or hospitals.
Der Durchflusssensor ist dann geeignet, wenn die Anschlüsse des Wassertanks leicht zugänglich sind oder direkt beispielsweise bei der Fahrzeugherstellung von Reisemobilen oder der Planung von Urinalen eingebaut werden.The flow sensor is suitable if the connections of the water tank are easily accessible or installed directly, for example, in the manufacture of motorhomes or the planning of urinals.
Der bifunktionale Air-Flow Sensor berechnet stets die resultierende Wasseraufnahme bzw. -abgabe. Er kann in Trinkwassertanks mit einer Öffnung eingesetzt werden. Der Air-Flow kapazitive-bifunktionale Sensor misst die verdrängte und die zugeflossene Luft im Wassertank durch einen Entlüftungsschlauch und leitet entsprechend Signale an den Micro-Controller. Durch Wasserentnahme aus dem Tank wird die Luft in Gegenrichtung in den Tank hineingeführt. Der speziell für das erfindungsgemäße Verfahren entwickelte Air-Flow kapazitive-bifunktionale Sensor ist, bedingt durch seine Dimensionierung, auch für den portablen/mobilen Einsatz, beispielsweise in Wohnmobilen, Yachten, Flugzeugen, Raumluft/ESA etc. sowie an entlegenen Orten, geeignet.The bifunctional air-flow sensor always calculates the resulting water absorption or release. It can be used in drinking water tanks with an opening. The air-flow capacitive-bifunctional sensor measures the displaced and inflowing air in the water tank through a vent hose and sends corresponding signals to the micro-controller. By removing water from the tank, the air is guided in the opposite direction into the tank. Due to its dimensions, the air-flow capacitive-bifunctional sensor specially developed for the method according to the invention is also suitable for portable / mobile use, for example in motorhomes, yachts, aircraft, room air / ESA, etc. as well as in remote locations.
Der Air-Flow bifunktionale Sensor wertet die Kapazitätsänderung infolge des Durchbiegens einer Membran und der daraus resultierenden Änderung des Plattenabstandes als Sensoreffekt aus. Die Membran wird hierbei, wie bei einem Kondensatormikrofon, als Kondensatorplatte verwendet. Die Kapazitätsänderungen sind ziemlich klein, so dass eine geeignete Verarbeitungselektronik mit hoher Empfindlichkeit integriert sein muss. Als Differenzdrucksensor erfasst der kapazitive Sensor über einen Differenzialkondensator den Druckunterschied zweier Gase/Luft oder Flüssigkeiten.The air-flow bifunctional sensor evaluates the capacity change due to the bending of a membrane and the resulting change in the plate distance as a sensor effect. The membrane is used here, as in a condenser microphone, as a capacitor plate. The capacity changes are rather small, so that suitable processing electronics with high sensitivity must be integrated. As a differential pressure sensor, the capacitive sensor detects the pressure difference between two gases / air or liquids via a differential capacitor.
Die Ultraschall-Sensoren sind im allgemein für die erfindungsgemäßen Verfahren hervorragend geeignet, weil sie eine individuelle Anpassung an das Objekt erlauben, nur einen kleinen Raum beanspruchen und direkt am Trinkwasserdeckel installiert werden können. Somit sind sie für neue aber auch für alte Fahrzeuge geeignet.The ultrasonic sensors are generally well suited for the inventive method, because they allow an individual adaptation to the object, claim only a small space and can be installed directly on the drinking water lid. Thus, they are suitable for new but also for old vehicles.
Alle Sensoren können beispielsweise mit einer App und WLAN zu jeder Zeit die Wasserhöhe im Trinkwassertank bzw. Wassermenge ablesen.For example, all sensors can read the water level in the drinking water tank or water volume at any time using an app and WLAN.
Micro-ControllerMicro-controller
Der Micro-Controller dient der Kontrolle des Energieverbrauchs (Belastung der Batterie) zur Herstellung des Desinfektionsmittels gemäß der Trinkwasserverordnung. Er empfängt und wertet die Signale des Sensors aus und liefert an die 12 Volt Batterie die Einschaltzeit gemäß der TrinkwV, so dass die Elektroden lediglich maximal 0,6 mg/l freies Chlor entsprechend der zugegebenen Wassermenge beziehungsweise der zugeflossenen Urinmenge produzieren. Die Stromdichte von etwa 1,5 Ampere/zwei Elektroden wird angelegt. Der Micro-Controller ist vollständig programmierbar, so dass man jederzeit die Einschaltzeit variieren kann.The micro-controller is used to control the energy consumption (load of the battery) for the production of the disinfectant according to the Drinking Water Ordinance. It receives and evaluates the signals from the sensor and delivers the on-time according to the TrinkwV to the 12 volt battery, so that the electrodes only produce a maximum of 0.6 mg / l free chlorine according to the added amount of water or the inflow of urine. The current density of about 1.5 amps / two electrodes is applied. The micro-controller is fully programmable, so you can vary the turn-on time at any time.
Ein Micro-Controller ist vorzugsweise und so programmiert, dass die Polung der Elektroden automatisch in regelmäßigen Zeitabständen vertauscht wird, beispielsweise alle 1 bis 5 Minuten, alle etwa 2 oder 3 Minuten, um zu verhindern, dass sich an den Elektroden Ablagerungen bilden, beispielweise Kalkablagerungen. Kommerziell erhältliche Micro-Controller können kleine Dimensionen aufweisen, wie etwa 80 × 55 × 35 mm. Er kann eine Taste für eine Spezialeinschaltung für den Fall aufweisen, dass der Anwender nach der Wasserzugabe erst in einigen Wochen oder Monaten die Anlage wieder in Betrieb nimmt. Weiterhin kann der Anwender dadurch jederzeit das Stagnationswasser nach Belieben behandeln. Man spricht von Stagnationswasser, wenn das Wasser in den Leitungen oder im Tank länger als 4 bis 5 Tage oder weniger zum ruht. Bei Stagnationswasser kommt es aufgrund von chemischen, physikalischen und mikrobiellen Prozessen erneut zur Bildung eines Biofilms. Der Anwender kann zu jeder Zeit die Elektroden durch eine Taste am Micro-Controller aktivieren und somit die Bildung des desinfizierten Wassers/Desinfektionsmittels bewirken.A micro-controller is preferably and programmed so that the polarity of the electrodes is automatically reversed at regular intervals, for example every 1 to 5 minutes, every 2 or 3 minutes, to prevent deposits from forming on the electrodes, such as limescale , Commercially available micro-controllers may have small dimensions, such as 80 x 55 x 35 mm. He may have a button for a special activation in the event that the user after the addition of water only in a few weeks or months, the system again in operation. Furthermore, the user can treat the stagnant water at will at any time. It is called stagnant water when the water in the pipes or in the tank for more than 4 to 5 days or less rests. Stagnation water re-forms biofilm due to chemical, physical and microbial processes. The user can activate the electrodes at any time by a button on the micro-controller and thus cause the formation of the disinfected water / disinfectant.
Der Micro-Controller weist unter anderem einen Speicher für die zuletzt zugegebene Wassermenge auf, so dass erneut ein Desinfektions-Zyklus nach beliebiger Zeit automatisch oder manuell eingeschaltet wird.Among other things, the micro-controller has a memory for the last added amount of water, so that once again a disinfection cycle is switched on automatically or manually at any time.
Der Micro-Controller schaltet die Stromzufuhr zu den Elektroden nach Erreichen eines vorbestimmten Sollzustandes, insbesondere nach Erreichen des Sollgehaltes an freiem Chlor im Wasser aus, so dass die Batterie nicht länger in Anspruch genommen wird. Dies steigert die Betriebssicherheit und vermeidet unvorhergesehene leere Batterien und/oder einen hohen Stromverbrauch. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann am konventionellen Stromnetz über einen Transformator und Gleichrichter zur Erzeugung des erforderlichen Gleichstroms für den Betrieb der Elektroden oder an einer (z.B. wiederaufladbaren) Batterie, insbesondere mit einer Spannung von 12 Volt (z.B. Autobatterie) betrieben werden. Es ist jedoch auch möglich Controller zu verwenden, die mit einer Batterie mit einer Spannung von 24 V oder anderen Spannungen betrieben werden können.The micro-controller switches the power supply to the electrodes after reaching a predetermined desired state, in particular after reaching the target content of free chlorine in the water, so that the battery is no longer used. This increases the reliability and avoids unforeseen dead batteries and / or high power consumption. The apparatus of the present invention may be operated on the conventional power grid via a transformer and rectifier to produce the required DC current for operation of the electrodes or on a (e.g., rechargeable) battery, particularly at a voltage of 12 volts (e.g., car battery). However, it is also possible to use controllers that can be powered by a battery with a voltage of 24 V or other voltages.
Elektrodenelectrodes
An den Oberflächen der MMO-Elektroden (MMO: Mischmetalloxid) findet eine Redoxreaktion statt, wodurch im Wasser das Desinfektionsmittel gebildet wird. Die Elektroden sollen gute Korrosionsbeständigkeit und unbedingt eine hohe Leitfähigkeit aufweisen sowie sehr dünn sein.At the surfaces of the MMO electrodes (MMO: mixed metal oxide), a redox reaction takes place, whereby the disinfectant is formed in the water. The electrodes should have good corrosion resistance and necessarily a high conductivity and be very thin.
Unterschiedliche Verfahren zur Herstellung von MMO-Elektroden sind im Stand der Technik beschrieben:Different methods of making MMO electrodes are described in the prior art:
Es hat sich gezeigt, dass die Sol-Gel Technik eine sehr gute Alternative zur thermischen Zersetzung von Edelmetallsalzen darstellt. Hierbei können gezielt Mischoxide durch die kontrollierte Hydrolyse und Kondensation von Vorläuferverbindungen hergestellt werden.It has been shown that the sol-gel technique is a very good alternative to the thermal decomposition of noble metal salts. In this case, mixed oxides can be prepared by the controlled hydrolysis and condensation of precursor compounds.
Die erfindungsgemäß eingesetzten Elektroden bestehen aus einem Trägermetall (Streckmetall) mit einer darauf angeordneten Mischoxidbeschichtung, insbesondere aus dem Trägermetall und einer Beschichtung von MMO/MOX, wie beispielsweise Titananoden mit MMO/Edelmetalloxiden der Platingruppe (Ruthenium, Rhodium, Palladium, Osmium, Iridium, Platin) mit anderen Dotierungen aus Ruthenium- bzw. Iridium-Verbindungen oder eine Mischung aus beiden als Hauptbestandteile. Platinierte Titan-Anoden und platinierte Niob-Anoden besitzen im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung/dem Verfahren keine Bedeutung. Eine beispielhafte Elektrode weist folgende Spezifikationen auf: Titan Streckgitter Typ F (6 × 3 × 1 × 1 mm; OF 2,22 Oberflächenfaktor); max. Strombelastung mit MMO 167: 30 A/dm2. Spezifischer Widerstand des Ti-Materials beträgt 0,48 [(Ohm × Länge × Stromstärke)/Querschnitt); die Schichtstärke der MMO Beschichtung beträgt 5 µm.The electrodes used according to the invention consist of a support metal (expanded metal) with a mixed oxide coating arranged thereon, in particular of the support metal and a coating of MMO / MOX, such as titanium anodes with MMO / noble metal oxides of the platinum group (ruthenium, rhodium, palladium, osmium, iridium, platinum ) with other dopants of ruthenium or iridium compounds or a mixture of both as main constituents. Platinized titanium anodes and platinized niobium anodes have no significance in connection with the device / method according to the invention. An exemplary electrode has the following specifications: Titanium expanded mesh type F (6 × 3 × 1 × 1 mm, OF 2.22 surface factor); Max. Current load with MMO 167: 30 A / dm 2 . Specific resistance of the Ti material is 0.48 [(ohm × length × current) / cross section); the layer thickness of the MMO coating is 5 μm.
Erfindungsgemäß können alternativ auch dotierte Diamant-Elektroden aus diversen Trägermaterialien eingesetzt werden, wie beispielsweise mit Bor dotierte Diamant-Elektroden. Die Diamant-Elektroden bilden Radikale/ Oxidationsmittel und zersetzen organische Verbindungen in Wasser und Kohlenstoffdioxid. Die Zersetzung organischer Verunreinigungen im Abwasser erfolgt vermutlich nach den folgenden Gleichungen (1) bis (3) bzw. (4):
Bruttoreaktion:
Als Trägermaterial eigenen sich alle üblichen, dem Fachmann bekannten Materialien, wie beispielsweise Kunststoffträger. Dabei kann die Oberfläche beschichtet sein. Besonders geeignet sind fluorierte Kunststoffoberflächen als Trägermaterialien. Diese können dann mit Bor-dotiertem Diamant beschichtet werden, so dass man chemikalienbeständige Elektroden erhält.Suitable carrier materials are all customary materials known to the person skilled in the art, for example plastic carriers. In this case, the surface may be coated. Particularly suitable are fluorinated plastic surfaces as support materials. These can then be coated with boron-doped diamond to give chemically resistant electrodes.
Die Bor-dotierten Elektroden sorgen für ausgezeichnete elektrische Leitfähigkeit der Diamantpartikel, die als solche keine elektrische Leitfähigkeit aufweisen. Damit werden die besonderen elektrochemischen Eigenschaften der Bor-dotierten Diamanten in der Elektrolyse genutzt und hervorgehoben. Es ist auch bekannt, dass Bor-dotierte Diamant-Elektroden durch Radikalbildung Gewässer durch Oxidation reinigen und giftige Stoffe in umweltfreundliche Stoffe umwandeln.The boron-doped electrodes provide excellent electrical conductivity of the diamond particles, which as such have no electrical conductivity. Thus, the particular electrochemical properties of the boron-doped diamond used in the electrolysis and highlighted. It is also known that boron-doped diamond electrodes, by radical formation, purify water by oxidation and convert toxic substances into environmentally friendly substances.
Als Elektrolytlösung wird das zu desinfizierende Wasser bzw. das Trinkwasser verwendet, in dem die Elektroden angeordnet, also ganz oder teilweise eingetaucht sind.As the electrolyte solution to be disinfected water or drinking water is used, in which the electrodes are arranged, so are immersed in whole or in part.
Eine beispielhafte Vorrichtung (auch „System“ oder „Generator“ genannt) zum Generieren des desinfizierten Wassers/Desinfektionsmittels enthält zwei Elektroden in Leitungswasser als Elektrolytlösung, die mit einer 12 Volt Spannungsquelle verbunden sind. Im Falle der Herstellung von Desinfektionsmittel bilden sie unter Spannung aus Leitungswasser und darin enthaltenen Mineralien durch den Gleichstrom zahlreiche Oxidationsmittel, wie beispielsweise freies Chlor, hypochlorige Säure, Natrium-, Calciumhypochlorit, Wasserstoffperoxid, Percarbonate/Peroxide, Hydroxyl-Radikale, Ozon, etc. Bei der Herstellung von desinfiziertem Wasser ist die Funktionsweise identisch.An exemplary device (also called "system" or "generator") for generating the disinfected water / disinfectant contains two electrodes in tap water as the electrolyte solution, which are connected to a 12 volt power source. In the case of production of disinfectants they form under tension from tap water and minerals contained therein by the direct current numerous oxidizing agents, such as free chlorine, hypochlorous acid, sodium, calcium hypochlorite, hydrogen peroxide, percarbonates / peroxides, hydroxyl radicals, ozone, etc. In the production of disinfected water is the operation identical.
Das erfindungsgemäß optionale Photometer kann zur Einhaltung der TrinkwV eingesetzt werden, um die im Wasser vorhandene freie Chlorkonzentration jederzeit bestimmen zu können.The optional photometer according to the invention can be used to comply with the TrinkwV to be able to determine the free chlorine concentration present in the water at any time.
Vorzugsweise und beispielhaft umfasst eine erfindungsgemäße Vorrichtung:
- - Zwei, vorzugsweise rautenförmige, MMO-Streckmetall-Elektroden, vorzugsweise aus einem Titanträger. Eine Elektrode ist beispielsweise nach Bedarf 250 × 50 × 0,2 mm, die andere ist beispielsweise 246 × 46 × 0,2 mm groß. Für die Urinale sind die Elektroden entsprechend kleiner. Die Innenaussparung der Gehäuse ist entsprechend kleiner. Die beiden Elektroden können sich nicht berühren. Die beiden Elektroden sind durch eine Polymerfolie getrennt, vorzugsweise beträgt der Abstand der
0,1Elektroden 0,3 mm,bis 0,2 mm. Die Elektroden können durch Hafterungsclips miteinander befestigt sein. Die Elektroden-Kabelanschlüsse können in einer Spezialkammer in Epoxidharz gegossen und verbunden sein. Die Elektroden sindbeispielhaft 0,1mit bis 20 %, vorzugsweise 1 %, Edelmetalloxiden der Platingruppe Iridium- und Ruthenium-Mischoxid beschichtet und sind typischerweise mit jeweils einem Leiter mit Teflonmantel verbunden. Sie sind vorzugsweise in ein dafür konzipiertes Kunststoffgehäuse aus PVDF eingelegt. PVDF eignet sich dabei wegen seiner guten thermischen und chemischen Beständigkeit als Auskleidung. Die Elektroden mit dem Gehäuse befinden sich im Trinkwassertank. Das Gehäuse kann auf der Innenseite des Tanks, beispielsweise mit Hilfe zweier Halterungen, befestigt sein, - - einen vorzugsweise digitalen Micro-Controller, der die Chlor-Produktion elektronisch steuert, wobei eine optionale Schalttaste eine Wiederholung des letzten Chlor-Produktionsvorgang auslösen kann,
- - einen vorzugsweise elektronischen Air-Flow kapazitiv-bifunktionalen Sensor, der die zugegebene oder vorhandene Wassermenge durch die Luftverdrängung/-zufuhr aus dem Wassertank misst und entsprechende Informationen an den Micro-Controller weiterleitet,
- - einen Ultraschallsensor alternativ zum Air-flow Sensor, der die Höhe des Wasserstandes misst und diese Information an den Micro-Controller weiterleitet, sowie
- - notwendige Kabelverbindungen zwischen den einzelnen Elementen der Vorrichtung.
- - Two, preferably diamond-shaped, MMO-expanded metal electrodes, preferably of a titanium support. For example, one electrode is 250 × 50 × 0.2 mm as needed, and the other is 246 × 46 × 0.2 mm, for example. For the urinals, the electrodes are correspondingly smaller. The inner recess of the housing is correspondingly smaller. The two electrodes can not touch. The two electrodes are separated by a polymer film, preferably the distance between the electrodes is 0.1 to 0.3 mm, for example 0.2 mm. The electrodes can be fastened together by adhesion clips. The electrode cable connections can be cast in a special chamber in epoxy resin and connected. The electrodes are coated with 0.1 to 20%, preferably 1%, noble metal oxides of the platinum group iridium and ruthenium mixed oxide and are typically connected to one conductor each with Teflon sheath. They are preferably inserted in a specially designed plastic housing made of PVDF. PVDF is suitable as a lining because of its good thermal and chemical resistance. The electrodes with the housing are located in the drinking water tank. The housing may be fixed to the inside of the tank, for example by means of two brackets,
- a preferably digital micro-controller which electronically controls the chlorine production, wherein an optional switching key can trigger a repetition of the last chlorine production process,
- a preferably electronic air-flow capacitive-bifunctional sensor, which measures the added or existing amount of water by the air displacement / supply from the water tank and forwards corresponding information to the micro-controller,
- - An ultrasonic sensor as an alternative to the air-flow sensor, which measures the height of the water level and forwards this information to the micro-controller, as well
- - Required cable connections between the individual elements of the device.
Durch die durch Stromfluss erfolgende Redox-Reaktion wird u.a. aus Natrium- und Chlorid-Salzen, je nach pH-Wert, Chlor, hypochlorige Säure und/oder Natriumhypochlorit gebildet.The redox reaction due to current flow causes i.a. formed from sodium and chloride salts, depending on the pH, chlorine, hypochlorous acid and / or sodium hypochlorite.
Definitionen und MessmethodenDefinitions and measurement methods
Unter dem Begriff „freies Chlor“ versteht man die Summe der Stoffkonzentrationen von elementarem Chlor(Cl2), der hypochlorigen Säure (HOCI) sowie von Hypochlorit-Salzen (MOCl; M = Alkalimetall- oder ErdalkalimetallKation). Die Konzentrationsangaben erfolgen in mg/l. Elementares Chlor ist in wässriger Lösung jedoch nur im sauren Bereich ab pH<2 stabil. Bei pH-Werten zwischen 6,5 und 8,5 liegt in wässriger Lösung hauptsächlich die für die Desinfektion maßgebliche Komponente, die hypochlorige Säure (HOCl), vor.The term "free chlorine" refers to the sum of the substance concentrations of elemental chlorine (Cl 2 ), hypochlorous acid (HOCl) and hypochlorite salts (MOCl; M = alkali metal or alkaline earth metal cation). The concentration data are in mg / l. However, in aqueous solution elemental chlorine is only stable in the acidic range above pH <2. At pH values between 6.5 and 8.5, the predominant component for disinfection, the hypochlorous acid (HOCl), is present in aqueous solution.
Unter dem Begriff „gebundenes Chlor“ versteht man den Chloranteil, der z.B. mit Stickstoff-Verbindungen zu Chloraminen reagiert hat und damit für die Desinfektionswirkung gar nicht oder nicht in vollem Umfang zur Verfügung steht.By the term "bound chlorine" is meant the chlorine content, e.g. has reacted with nitrogen compounds to chloramines and thus is not or not fully available for the disinfecting effect.
Unter dem Begriff „gesamtes Chlor“ (= freies und gebundenes Chlor) versteht man die Summe aller oxidierend wirkenden Chlorverbindungen, einschließlich der evtl. vorliegenden Chloramine. Falls bei der Messung (z.B. photometrische Messung) Chlordioxid vorliegen sollte, wird es auch messtechnisch erfasst. Zur quantitativen Erfassung der Chlorierung wird im Allgemeinen das freie Chlor gemessen. Bei hohen Chloramin-Gehalten wird zusätzlich der Gesamtchlorgehalt gemessen, um aus der Differenz den Gehalt an gebundenem Chlor zu ermitteln.The term "total chlorine" (= free and bound chlorine) means the sum of all oxidizing chlorine compounds, including any chloramines present. If chlorine dioxide is present during the measurement (for example, photometric measurement), it will also be measured. For the quantitative determination of the chlorination, the free chlorine is generally measured. In the case of high chloramine contents, the total chlorine content is additionally measured in order to determine the content of bound chlorine from the difference.
Für die Desinfektionswirkung ist lediglich der Anteil an freiem Chlor interessant. Die Desinfektionswirkung ist stark pH-Wert abhängig. Dies ist darauf zurückzuführen, dass je nach pH-Wert unterschiedliche Chlorverbindungen vorliegen.For the disinfecting effect, only the proportion of free chlorine is interesting. The disinfecting effect is strongly pH-dependent. This is due to the fact that, depending on the pH, different chlorine compounds are present.
Bei einem pH-Wert von 7,0, wie bei Leitungswasser, entstehen etwa 74 % HOCl, bei 7,5 nur noch etwa 50 % HOCl und bei einem pH-Wert von 8,0 bereits nur noch weniger als 20 % HOCl. Dieses Dissoziationsgleichgewicht zwischen HOCI und NaOCl ist reversibel, d.h. ändert man den pH-Wert des Wassers, in dem sich bereits Chlor befindet, erhöht oder reduziert sich auch der HOCl Anteil im Wasser. At a pH of 7.0, as with tap water, about 74% HOCl arise at 7.5 only about 50% HOCl and at a pH of 8.0 already less than 20% HOCl. This dissociation equilibrium between HOCl and NaOCl is reversible, ie if the pH of the water in which chlorine is already present is increased or reduced, the HOCl content in the water also increases or decreases.
Aus obigen Gründen wird auf Steuerung des pH-Wertes durch einen sauren Donatorzusatz bzw. auf Natriumchloridzusatz verzichtet, da es das Ziel des erfindungsgemäßen Verfahrens ist, die sichere Desinfektion aber auch eine simple Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens zu gewährleisten. Dies schließt vorzugsweise den Zusatz von Stoffen zu desinfizierten Wasser aus.For the above reasons, control of the pH by an acid addition of donor or sodium chloride is omitted, since it is the aim of the method according to the invention to ensure safe disinfection but also a simple application of the method according to the invention. This preferably excludes the addition of substances to disinfected water.
Die Bestimmung des freien Chlors erfolgt nach
Die Bestimmung des Gesamtchlorgehalts erfolgt analog. Es wird jedoch zusätzlich Kaliumiodid-Lösung zur Freisetzung des gebundenen Chlors zu den Messlösungen dazugegeben. Die Bestimmung des gebundenen Chlors erfolgt durch Differenzbildung aus den gemessenen Konzentrationen des Gesamtchlors und des freien Chlors. Eine Kalibrierung erfolgt mit Iodid/Iodat-Kalibrier-Lösungen auf Basis von molekularem Iod.The determination of the total chlorine content is analogous. However, additional potassium iodide solution is added to release the bound chlorine to the measurement solutions. The determination of the bound chlorine takes place by difference formation from the measured concentrations of the total chlorine and the free chlorine. Calibration is performed with iodide / iodate calibration solutions based on molecular iodine.
Zur Messung des Gesamtchlorgehalts wird eine zweite Probe mit einem Puffer pH-Wert zwischen 6,2 und 6,5, DPD und Kaliumiodid versetzt. Iodid wird durch Oxidation unter Abgabe eines Elektronen-Paars zu Iod oxidiert. Das freie Elektron-Paar reduziert das Chloratom zu Chlorgas/ neutralem Chlor, das wiederum mit dem DPD reagiert und die Rotfärbung unter Konjugation erzeugt. Die Bestimmung des freien Chlors kann auch mittels des Photometers z.B. des Photometers MultiDirect der Firma Lovibond durchgeführt werden.To measure the total chlorine content, a second sample with a buffer pH between 6.2 and 6.5, DPD and potassium iodide is added. Iodide is oxidized to iodine by oxidation giving off an electron pair. The free electron pair reduces the chlorine atom to chlorine gas / neutral chlorine, which in turn reacts with the DPD and produces red color under conjugation. The determination of the free chlorine can also be carried out by means of the photometer e.g. Photometer MultiDirect from Lovibond.
Laut §11 der TrinkwV darf für die Aufbereitung von Trinkwasser eine Konzentration von 1,2 mg/l freies Chlor eingesetzt werden. Nach Abschluss der Aufbereitung müssen noch 0,1 bis 0,3 mg/l freies Chlor nachgewiesen werden können, damit bei der Verwendung des Trinkwassers als Desinfektionsmittel eine effektive Desinfektion gewährleistet ist. Für Ausnahmefälle ist in § 11 TrinkwV festgelegt, dass kurzzeitig auch höhere Konzentrationen an freiem Chlor von bis zu 1,2 mg/l zur Aufbereitung (maximal 1,2 mg/l nach der Aufbereitung nachweisbar) eingesetzt werden dürfen.According to §11 of the TrinkwV, a concentration of 1.2 mg / l free chlorine may be used for the treatment of drinking water. After completion of the treatment, 0.1 to 0.3 mg / l free chlorine must still be detected, so that effective disinfection is ensured when using the drinking water as a disinfectant. For exceptional cases, § 11 TrinkwV stipulates that higher concentrations of free chlorine of up to 1.2 mg / l may be used for treatment (maximum 1.2 mg / l after preparation) for a short time.
Zur Einhaltung der gesetzlichen Grenzwerte ist es notwendig, diese Konzentrationen im Wasser zu ermitteln und dementsprechend den Elektrolyseprozess so zu regeln, dass die Grenzwerte eingehalten werden. Der erfindungsgemäß eingesetzte Micro-Controller ist vorzugsweise so konfiguriert, dass er freies Chlor in einer Konzentration von 1,0 bis 1,2 mg/l generiert, um daraufhin für einen bestimmten Zyklus eine Konzentration zwischen 0.05 und 0.5 mg/l vorzugsweise zwischen 0,1 und 0,3 mg/l zu garantieren. Zur sicheren Einhaltung der freien Chlorkonzentration wird erfindungsgemäß die Kalibrierung des Desinfektionszyklus bzw. die Funktionsweise des Micro-Controllers verwendet. Alternativ könnten zusätzlich das optionale Photometer oder Papierstreifen und DPD eingesetzt werden.In order to comply with the legal limit values, it is necessary to determine these concentrations in the water and, accordingly, to regulate the electrolysis process in such a way that the limit values are observed. The micro-controller used according to the invention is preferably configured to generate free chlorine in a concentration of 1.0 to 1.2 mg / l in order then to have a concentration of between 0.05 and 0.5 mg / l for a certain cycle, preferably between 0, 1 and 0.3 mg / l to guarantee. For safe maintenance of the free chlorine concentration, the calibration of the disinfection cycle or the mode of operation of the microcontroller is used according to the invention. Alternatively, the optional photometer or paper strip and DPD could also be used.
Für die Chlorit-Konzentration bestehen Grenzwerte, deren Einhaltung überwacht werden muss. Nach der WHO-Richtlinie sind es zur Zeit ≤ 0,8 mg/l, nach der EU-Gesetzgebung jedoch nur ≤ 0,6 mg/l. In Österreich gibt die ÖNORM M 6215 folgende Werte vor: mit pH-Wert 6,5 bis 7,4 mindestens 0,3 mg/l freies Chlor, mit pH-Wert 7,4 bis 7,8 mindestens 0,5 mg/l, mit einer Maximalkonzentration von 1,2mg/l für Hallenbäder und 2,0mg/l für Freibäder. Zum Vergleich: die WHO fordert für die sichere Desinfektion von Trinkwasser den Einsatz von≥ 0,5 mg/l bis maximal 5,0 mg/l an freiem Chlor, mit einem Mindestgehalt von 0,2 mg/l beim Verbraucher.The chlorite concentration has limit values whose compliance must be monitored. According to the WHO guideline, it is currently ≤ 0.8 mg / l, but according to EU legislation only ≤ 0.6 mg / l. In Austria ÖNORM M 6215 gives the following values: with pH 6.5 to 7.4 at least 0.3 mg / l free chlorine, with pH 7.4 to 7.8 at least 0.5 mg / l , with a maximum concentration of 1.2mg / l for indoor pools and 2.0mg / l for outdoor pools. For comparison, the WHO requires the use of ≥ 0.5 mg / l up to a maximum of 5.0 mg / l of free chlorine for the safe disinfection of drinking water, with a minimum content of 0.2 mg / l for the consumer.
Anwendungapplication
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist hauptsächlich für die Freizeitbranche, insbesondere zur Beseitigung von Biofilmen im Trinkwassersystem von Reisemobilen, Wohnwagen, Schiffen, Booten und Segel-Booten sowie zur Beseitigung vom Uringeruch aus der Urinale bestimmt. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann jedoch auch für andere Zwecke, wie z. B. im Krankenhaus, Arztpraxen oder anderen Gebieten eingesetzt werden. Die Vorrichtung arbeitet selbständig und benötigt für den Sensor nur einen sehr geringen Raum von etwa 50mm × 40mm × 30mm.The device according to the invention is intended primarily for the leisure industry, in particular for the removal of biofilms in the drinking water system of motorhomes, caravans, ships, boats and sailing boats and for the elimination of urine odor from the urinals. However, the device according to the invention can also be used for other purposes, such. B. in hospitals, medical practices or other areas. The device works independently and requires only a very small space of about 50mm × 40mm × 30mm for the sensor.
Die durch die erfindungsgemäße Vorrichtung hergestellte wässrige Desinfektionslösung ist pH-, geschmacksneutral sowie geruchsfrei. Das gebildete freie Chlor ist nur für eine definierte Zeit stabil und stellt somit keinerlei Umweltbelastung dar, wie durch die weiter unten gezeigten Messwerte gezeigt wird. The aqueous disinfectant solution produced by the device according to the invention is pH, tasteless and odorless. The formed free chlorine is stable only for a defined time and thus does not represent any environmental impact, as shown by the measurements shown below.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann beispielsweise in einem Reisemobil für die Toilette eingesetzt werden, um Geruchsbildung von Fäkalien zu verhindern. Ein Sensor wird dabei entweder unter der Toilettenbrille oder auf dem Spülwasserkasten angebracht. Wenn der Anwender auf der Toilettenbrille sitzt oder beim Umklappen der Toilettenbrille, erfolgt ein Signal an den Micro-Controller, der die Elektroden automatisch einschaltet und entsprechend Desinfektionsmittel nach Bedarf und Konzentration produziert.The device according to the invention can be used for example in a motor home for the toilet to prevent odor of fecal matter. A sensor is attached either under the toilet seat or on the rinsing water box. When the user is sitting on the toilet seat or when folding the toilet seat, a signal is sent to the micro-controller, which automatically switches on the electrodes and produces disinfectants according to need and concentration.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann auch in der Raumfahrt bei den bemannten ISS-Missionen eingesetzt werden, wo kaum Platz und keine Entsorgungsmöglichkeiten bestehen.The device according to the invention can also be used in space travel in the manned ISS missions, where hardly any space and no disposal options exist.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann unabhängig von einer stationären Stromversorgung (herkömmliches Stromnetz) oder einer Batterie auch durch Solarenergie betrieben werden. Durch eine Solarzelle kann das Trinkwasser unabhängig von einem Stromanschluss aus dem Fluss, Tümpel, Teich, See, Weiher oder Suhle einfach nach einer Filtration mit einem feinen Tuch durch die erfindungsgemäße Vorrichtung desinfiziert werden. Diese besondere Anwendung macht die Erfindung insbesondere für die Entwicklungsländer hoch interessant.The device according to the invention can also be operated by solar energy independently of a stationary power supply (conventional power grid) or a battery. By means of a solar cell, the drinking water can be disinfected by a device according to the invention, independently of a current connection from the river, pond, pond, lake, pond or pool, simply after filtration with a fine cloth. This particular application makes the invention particularly interesting for developing countries.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann auch als Ersatz für die wartungsbedürftigen wasserlosen Urinale/Pissoirs in Flughäfen, Raststätten, Restaurants, Krankenhäusern u.a. eingesetzt werden. Die erfindungsgemäße Vorrichtung bietet einige Vorteile gegenüber einer herkömmlichen Toilette, sowohl für die Umwelt, z.B. bei jeder Anwendung eines Urinals werden mehrere Liter Wasser pro Spülung eines Urinals benötigt, als auch für den Betreiber. Diese sind sowohl ökonomischer Art bezüglich der laufenden Kosten in Form des Wasserverbrauchs gegenüber anderen Toiletten als auch ökologisch wichtig. Die modernen wasserlosen Urinale benötigen eine monatliche Wartung und saure Chemikalien. Nur dadurch können sie von Urinstein befreit werden. Weiterhin muss eine leichtere Sperrflüssigkeit für Urin bereitgestellt werden, damit der schwere Urin durch die Sperrflüssigkeit hindurch abfließen kann, ohne sich mit dieser zu vermischen und somit die Geruchsbildung eindeutig unterdrückt wird.The device according to the invention can also be used as a replacement for the maintenance-requiring waterless urinals / urinals in airports, service areas, restaurants, hospitals and the like. be used. The device according to the invention offers several advantages over a conventional toilet, both for the environment, e.g. every time a urinal is used, it requires several liters of water per urinal flush, as well as for the operator. These are both economic in terms of running costs in terms of water consumption compared to other toilets as well as ecologically important. Modern waterless urinals require monthly maintenance and acidic chemicals. Only then can they be freed from urine stone. Furthermore, a lighter barrier fluid for urine must be provided so that the heavy urine can flow through the barrier fluid without mixing with it and thus the smell is clearly suppressed.
In den Industrieländern ist die erfindungsgemäße Vorrichtung bedingt durch die Einfachheit und deren Preis von Bedeutung. Es werden z.B. zahlreiche Biozide für den Kreislauf bei Kühlung der Spritzgussmaschinen verwendet. Wegen der intensiven Verwendung von Bioziden bzw. Düngemitteln auf landwirtschaftlichen Flächen ist die Umweltbelastung sehr groß. Durch den Stoffkreislauf gelangen diese direkt oder indirekt in Klärwerke. Die Hydroxyl-Radikale zersetzen mittels der Diamant-Elektroden diese, insbesondere die Nitrate und somit bewirken sie eine erhebliche Entlastung der Umwelt und der Gesundheit.In industrialized countries, the device according to the invention is due to the simplicity and the price of importance. There are e.g. Numerous biocides used for the circulation when cooling the injection molding machines. Because of the intensive use of biocides or fertilizers on agricultural land, the environmental impact is very high. Through the material cycle these pass directly or indirectly into sewage treatment plants. The hydroxyl radicals decompose these by means of the diamond electrodes, in particular the nitrates and thus they bring about a significant relief of the environment and health.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann bei Gewässern und im Bereich von Schwimmbädern (Whirlpools, etc.) eingesetzt werden. Das gechlorte Wasser in Schwimmbädern ist eine enorme Belastung für die Schleimhäute, Atemwege, Haut und Umwelt. Beispielsweise die Diamant-Elektroden unterbinden alle diese Nachteile.The device according to the invention can be used in waters and in the area of swimming pools (whirlpools, etc.). The chlorinated water in swimming pools is an enormous burden on the mucous membranes, respiratory tract, skin and environment. For example, the diamond electrodes eliminate all these disadvantages.
Ein weiterer Anwendungsbereich für die erfindungsgemäße Vorrichtung sind Kläranlagen. Kläranlagen sind in den 90-iger Jahren unter den Formaldehyd- und Biozid-Belastungen durch die Fäkalienentleerung auf Campingplätzen aus den Reisemobilen und Wohnwagen umgekippt. Auch nach dem Formaldehydverbot wurden verschiedene Maßnahmen getroffen, um Biozid-Einsatz im Wohnmobil-Bereich zu verhindern bzw. um die Kläranlagenbelastung zu mindern. Diese führten bis heute zu umständlichen Entleerungskontrollen und Bescheinigungsnachweisen bei Reisemobilen für die umweltfreundlichen Sanitärprodukte.Another application for the device according to the invention are sewage treatment plants. In the 1990s, wastewater treatment plants were overturned due to the formaldehyde and biocide pollution due to the emptying of faeces on campsites from motorhomes and caravans. Even after the prohibition of formaldehyde, various measures were taken to prevent biocide use in the RV area or to reduce the treatment plant load. These have led to cumbersome emptying controls and certification of motorhomes for the environmentally friendly sanitary products.
Die gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte wässrige Lösung kann auch als Desinfektionsmittel überall dort zum Einsatz gelangen, wo eine einwandfreie Desinfektion von Wasser, insbesondere auch unter Einhaltung der Trinkwasserverordnung 2001, erforderlich ist. Dies wäre der Fall bei der Wasserversorgung von Schulen, Hotels oder anderen gastronomischen Betrieben und Sportvereinen, Krankenhäusern, Pflegeheimen, Gewerbebetrieben, Bahnhöfen, Flughäfen, Großküchen, Desinfektion von Regenwasser in Zisternen, Trinkwasser auf Schiffen, Entfärbung von Wäsche, Kühlwasserbehandlung bei Spritzguss-, Dreh-, Fräs-, Bohr-, Schneide- oder anderen Werkzeugmaschinen, sowie bei Klimaanlagen und Luftbefeuchtungssystemen sowie für Osmose Anlagen, bei der Dosierung in Tränke- und Abwasser von Tierhaltungsbetrieben und Schlachthöfen, und als Zugabe in Wasser für Schnittblumen.The aqueous solution prepared according to the method of the invention can also be used as a disinfectant everywhere where a proper disinfection of water, especially in compliance with the Drinking Water Ordinance 2001, is required. This would be the case with the water supply of schools, hotels or other catering establishments and sports clubs, hospitals, nursing homes, commercial enterprises, railway stations, airports, commercial kitchens, disinfection of rainwater in cisterns, drinking water on ships, discoloration of laundry, cooling water treatment in injection molding, rotary -, Milling, drilling, cutting or other machine tools, as well as in air conditioning and humidification systems and for osmosis systems, in the dosing in drinking and waste water of livestock farms and slaughterhouses, and as an addition in water for cut flowers.
Zu den elektrochemischen Vorgängen an den Elektroden: For the electrochemical processes at the electrodes:
Elektrochemische Aktivierung ist die Technologie zur Herstellung metastabiler Substanzen. Die elektrolytische Trinkwasserdesinfektion mittels zweier Elektroden bewirkt eine zuverlässige Abtötung von pathogenen Mikroorganismen um den Reduktionsfaktor fünf (3). Des Weiteren bewirkt die Desinfektion auch einen mittelfristigen Abbau von Biofilmen, die sich im Leitungssystem von Reisemobilen ablagern. Die Lebensfunktionen von Bakterien, Pilzen und Viren werden somit unterbunden. Die Wasserqualität (Geruch, Farbe, Geschmack usw.) wird durch diese Desinfektionsmethode nicht beeinträchtigt.Electrochemical activation is the technology for producing metastable substances. The electrolytic drinking water disinfection by means of two electrodes causes a reliable killing of pathogenic microorganisms by the reduction factor five (3). Furthermore, the disinfection also causes a medium-term degradation of biofilms, which are deposited in the management system of motorhomes. The life functions of bacteria, fungi and viruses are thus prevented. The water quality (smell, color, taste, etc.) is not affected by this disinfection method.
Theoretische GrundlagenTheoretical basics
Wie bei der Elektrolyse findet auch bei der elektrochemischen Aktivierung an der Anode eine Oxidation und an der Kathode eine Reduktion statt. Die Elektroden bleiben durch Abgabe bzw. Aufnahme der Elektronen neutral, d. h. es findet eine chemische Redox-Gleichung bei den dissoziierten Salzen statt.As with electrolysis, oxidation occurs at the anode during electrochemical activation and reduction at the cathode. The electrodes remain neutral by delivery of the electrons, d. H. there is a chemical redox equation for the dissociated salts.
Leitungswasser ist eine Elektrolytlösung enthaltend verschiedene Mineralien, wie z.B. Natrium-, Kaliumchlorid, geringe Mengen Calcium- oder Magnesiumsulfat, - chlorid oder -carbonat.Tap water is an electrolyte solution containing various minerals, e.g. Sodium, potassium chloride, small amounts of calcium or magnesium sulfate, chloride or carbonate.
Die Herstellung des Desinfektionsmittels bzw. des desinfizierten Wassers wird durch Anlegen einer 12 V oder 24 V Gleichspannung, welche aus einer Batterie bezogen wird, mit einem induzierten elektrischen Feld zwischen den Elektroden durchgeführt. Es wird Elektrolyse betrieben. Dabei fließt ein Gleichstrom von 1 bis 2 Ampere, vorzugsweise etwa 1,3 A durch die Elektroden.The preparation of the disinfectant or the disinfected water is carried out by applying a 12 V or 24 V DC, which is obtained from a battery, with an induced electric field between the electrodes. It is operated electrolysis. In this case, a direct current of 1 to 2 amperes, preferably about 1.3 A flows through the electrodes.
Die negativ geladene Kathode zieht das positiv geladene Kation an, hier sind es die Wasserstoffatome, die zwei Elektronen an die Wasserstoffatome liefern gemäß der weiter unten wiedergegebenen Gleichung (1). Die zwei Wasserstoffatome übernehmen je ein Elektron, werden also reduziert und bilden ein Wasserstoffmolekül.The negatively charged cathode attracts the positively charged cation, here it is the hydrogen atoms which supply two electrons to the hydrogen atoms according to Equation (1) given below. The two hydrogen atoms each take on an electron, so are reduced and form a hydrogen molecule.
An den Elektroden findet nicht nur diese chemische Reaktion gemäß (1) statt, sondern es treten zahlreiche weitere Reaktionen (Gleichungen 2 bis 10) auf. Da die gebildete Wasserstoff-Konzentration durch den Generator sehr gering ist, ist hier eine Knallgasreaktion ausgeschlossen. Der gebildete Wasserstoff entweicht durch ein Belüftungsrohr.Not only does this chemical reaction according to (1) occur at the electrodes, but numerous other reactions (
Dissoziation des Wassers:
Darüber hinaus wird die verdünnte Wasser-/Elektrolytlösung durch die Bildung von Hydroxid-Ionen zuerst leicht alkalisch.In addition, the dilute water / electrolyte solution first becomes slightly alkaline due to the formation of hydroxide ions.
An der Anode werden, gemäß den nachfolgenden Reaktionsgleichungen (2) und (3), insbesondere die chemischen Oxidationsmittel Sauerstoff (O2) und Chlor (Cl2) erzeugt. Das Chlormolekül disproportioniert und bildet Chlorid- und Hypochlorit-Ionen gemäß Gleichung (4), welche bekanntermaßen hinsichtlich einer Desinfektion von Wasser wirksam und sehr reaktionsfreudig sind. Daher sollen die Anoden im Vergleich zu den Kathoden extrem reaktionsträge hergestellt werden. Da der Micro-Controller die Stromrichtung ständig wechselt (umpolt), werden beide Elektroden identisch hergestellt und benutzt. Ferner ist zu beachten, dass infolge der Bildung von H3O+-Ionen die verdünnte Wasser-/ Elektrolytlösung sauer ist:
Diese können wiederum mit geeigneten Kationen, wie z.B. Na+, K+, H+ aus der Elektrolytlösung bzw. einem H3O+-Ion zu dem entsprechenden Metallsalz bzw. zu den entsprechenden Säuren, d.h. zu hypochloriger Säure HOCI und Chlorwasserstoff bzw. verdünnter Salzsäure (HCl), reagieren:
Die Säure-Base-Reaktion zwischen den Hydroxid-Ionen und den gebildeten Säuren führen kaum zu einer pH-Wertänderung.The acid-base reaction between the hydroxide ions and the acids formed hardly lead to a pH change.
Ferner können aus den vorgenannten, an der Anode gebildeten Stoffen, durch Sekundärreaktionen weitere Stoffe erzeugt werden, welche ebenfalls bekanntermaßen im Hinblick auf eine Desinfektion von Wasser wirksam sind. Hierbei handelt es sich insbesondere um Wasserstoffperoxid (H2O2), Reaktionsgleichung (5), Ozon, Reaktionsgleichung (6), Chlordioxid, Reaktionsgleichung (7), Chlorate (ClO3 -), Reaktionsgleichung (8) und verschiedene Radikale Reaktionsgleichungen (9) und (10):
Nachteilig bei dem Verfahren der elektrochemischen Aktivierung sind im Allgemeinen folgende Aspekte:
- - die genaue Qualitätskontrolle ist fast nicht möglich,
- - die meisten Verfahrensparameter werden empirisch ermittelt,
- - das Leitungswasser der Elektrolytlösung ist immer unterschiedlich,
- - die Herstellungsbedingungen sind nie identisch und können auf folgende Parameter bezogen werden: das Fassungsvermögen der Tanks, unterschiedliche Werkstoffe der Tanks sowie der Durchmesser der Entlüftungsschläuche und die Verweilzeit des zu desinfizierenden Wassers an den Elektroden.
- - the exact quality control is almost impossible
- most process parameters are determined empirically,
- - the tap water of the electrolyte solution is always different,
- - the conditions of manufacture are never identical and can be related to the following parameters: tank capacity, different tank materials and the diameter of the ventilation hoses and the residence time of the water to be disinfected at the electrodes.
Alle diese Nachteile sind bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ausgeschlossen. Der Micro-Controller wechselt die Richtung des elektrischen Stroms in kontrollierten und bestimmten Intervallen. Deshalb sind die anderen gebildeten Ionen-Konzentrationen unbeachtlich klein. Somit werden die Desinfektionsmittel stöchiometrisch gebildet. Durch den Entlüftungsschlauch können sämtliche gebildete Spuren von Gasen wie z. B. Ozon, Sauerstoff, Wasserstoff u. a. entweichen.All these disadvantages are excluded in the method according to the invention. The micro-controller changes the direction of the electrical current in controlled and specific intervals. Therefore, the other ion concentrations formed are irrelevant small. Thus, the disinfectants are formed stoichiometrically. Through the vent hose all traces of gases formed such. As ozone, oxygen, hydrogen u. a. escape.
Als physikalisch-chemischer Prozess ist die elektrochemische Aktivierung eine Kombination aus elektrochemischen, elektrophysikalischen und chemischen Aktionen. Dieser Prozess läuft unter minimaler Wärmeerzeugung mit gelösten Ionen und Molekülen an einer partiellen Spannung nahe der Oberfläche der Elektroden ab.As a physico-chemical process, electrochemical activation is a combination of electrochemical, electrophysical, and chemical actions. This process proceeds with minimal heat generation with dissolved ions and molecules at a partial stress near the surface of the electrodes.
Das Leitungswasser wird bedingt durch die spezifische Oberfläche der Diamant-Elektrode zu Wasserstoffkation und Hydroxid-Anion/Hydronium-Ion dissoziiert.The tap water is dissociated into hydrogen cation and hydroxide anion / hydronium ion due to the specific surface area of the diamond electrode.
In einer ECA Zelle/Reaktor können prinzipiell folgende chemische Reaktionen mit einem Standard Redox-Potential ablaufen:
Die aufgezeigten Gleichungen sind keine komplette Liste, geben aber ein Beispiel von einigen Reaktionen an, die stattfinden können. Sie zeigen, dass bei der Elektrolyse von Wasser auch H+ - und OH- - Ionen, H und OH Radikale, H2, O2, HO2, Peroxide, O3 als Redoxreaktionen erzeugt werden.The equations shown are not a complete list, but give an example of some reactions that can take place. They show that in the electrolysis of water, H + and OH - ions, H and OH radicals, H 2 , O 2 , HO 2 , peroxides, O 3 are also generated as redox reactions.
Problematisch bei der Anwendung dieser Technologie ist die Bildung von unerwünschten Desinfektionsnebenprodukten. Hierzu zählen die organischen Trihalomethane (THM) und adsorbierbaren, organisch gebundenen Halogenen (AOX) sowie die anorganischen Risikostoffe Chlorat und Perchlorat. Die gesamte Ionenkonzentration im Trinkwasser ist so minimal, dass diese gebildeten Produkte unter der Kennzeichnungsgrenze liegen und somit unbeachtet bleiben können.The problem with the application of this technology is the formation of undesirable disinfection by-products. These include the organic trihalomethanes (THM) and adsorbable, organically bound halogens (AOX) as well as the inorganic risk substances chlorate and perchlorate. The total ion concentration in the drinking water is so minimal that these formed products are below the labeling limit and thus can be ignored.
Freie Wirkstoffe/Oxidantien (FAOx) sind essentielle Chloramin-Verbindungen. Die Hauptkomponenten der Erfindung sind folgende chemische Verbindungen:
Demzufolge wird die HOCl Konzentration der einzelnen chemischen Komponenten durch die Stromdichte, den pH-Wert und andere wichtige Prozessparameter bestimmt.Consequently, the HOCl concentration of the individual chemical components is determined by the current density, the pH and other important process parameters.
Zur Entfernung von Kalkablagerungen an den Elektrodenoberflächen wird beispielsweise alle 2 Minuten oder in längeren Zeitabständen regelmäßig und automatisch eine Polumkehrung durchgeführt. Die Zeitintervalle sind ebenfalls einstellbar und lassen sich insbesondere nach der Wasserhärte der unterschiedlichen Leitungswässer richten, wobei eine Polumkehr bei weichem Wasser erst nach einer längeren Zeitdauer, insbesondere zwischen ein und drei Stunden, erfolgt, bei härterem Wasser insbesondere nach fünf bis zehn Minuten. Bei sehr hartem Wasser können die Elektroden einmal jährlich mit Zitronensäure oder Komplexbildner gereinigt werden.To remove limescale deposits on the electrode surfaces, for example, a polarity reversal is performed regularly and automatically every 2 minutes or at longer intervals. The time intervals are also adjustable and can be directed in particular to the water hardness of the different tap water, with a pole reversal in soft water only after a longer period of time, in particular between one and three hours, with harder water, especially after five to ten minutes. For very hard water, the electrodes can be cleaned once a year with citric acid or complexing agent.
Als ein direktes Resultat der Elektrolyse werden Wasserstoff und Ozon erzeugt. Ein geringer Anteil an Hydroxiden verbleibt in der Lösung. Dies erfolgt in verschiedenster Form und nicht nur als Wasserstoffperoxid.As a direct result of the electrolysis, hydrogen and ozone are produced. A small proportion of hydroxides remains in the solution. This is done in a variety of forms and not just as hydrogen peroxide.
Die zusätzliche Zuführung von Natriumchlorid führt zu weiteren Reaktionen. Cl2 und OH- können wie folgt reagieren:
Anode:
Kathode
Anode:
cathode
Verzeichnis der verwendeten Abkürzungen:
- AOP: Advanced Oxidation Processes (weitergehende Oxidationsverfahren)
- AOX: Absorbierbare organisch gebundene Halogene
- DNP: Desinfektionsnebenprodukt(e)
- TOC: Total Organic Carbon (gesamter organischer Kohlenstoff)
- PVDF: Polyvinylidendifluorid
- MMO/MOX: Mischmetalloxid/ Platingruppe/Metalloxidhalogen bzw. Übergangsmetall als Kationen
- DPD: N,N-Diethyl-1,4-phenyldiamin
- AOP: Advanced Oxidation Processes
- AOX: Absorbable organically bound halogens
- DNP: disinfection by-product (s)
- TOC: Total Organic Carbon (total organic carbon)
- PVDF: polyvinylidene difluoride
- MMO / MOX: mixed metal oxide / platinum group / metal oxide halogen or transition metal as cations
- DPD: N, N-diethyl-1,4-phenyldiamine
Im nachfolgenden Ausführungsbeispiel wird die vorliegende Erfindung in nicht limitierender Weise weiter erläutert.In the following embodiment, the present invention will be further explained in a non-limiting manner.
Ausführungsbeispiel:Embodiment:
Produktion von Chlor:Production of chlorine:
Die ECA-erfindungsgemäßen Verfahren sind in 10, 50 und 100 I Leitungswasser mit und ohne Natriumchlorid durchgeführt worden.The ECA processes according to the invention have been carried out in 10, 50 and 100 l tap water with and without sodium chloride.
Der Generator erzeugte in 10 Minuten in 10 Liter Leitungswasser 1,2 mg/l freies Chlor. Es war somit garantiert, dass in diesem Literbereich die nach Trinkwasserverordnung zulässige und notwendige Konzentration zur Desinfektion über die Laufzeit kontrollierbar war. Insbesondere konnte dadurch garantiert werden, dass der maximale Wert von 1,2 mg/l Cl nicht überschritten wurde. Dies wurde durch viele Messungen von der Chlorproduktion pro Minute in 10 l Leitungswasser bestätigt.
Aus den Messungen errechnete sich der Mittelwert einschließlich der statistischen Abweichung von der Konzentration (mg/l) pro Zeit (min). Diese sind in
Aus der Eichkurve wird ersichtlich, dass nach 9 Minuten 0,85-1,05 mg/l freies Chlor produziert wird. Der maximale Wert von 1,2 mg/l wird eindeutig und zuverlässig unterschritten. Ebenfalls wird deutlich, dass der minimale Wert von 0,1 mg/l eindeutig und zuverlässig nach 3 min überschritten ist.From the calibration curve, it can be seen that 0.85-1.05 mg / L free chlorine is produced after 9 minutes. The maximum value of 1.2 mg / l is clearly and reliably undercut. It is also clear that the minimum value of 0.1 mg / l is clearly and reliably exceeded after 3 minutes.
Analog zu diesem Verfahren wurde noch jeweils eine Eichkurve für die Volumina 50 Liter und 100 Liter aufgezeichnet. Dabei wird ersichtlich, dass die Eichkurve ebenfalls von dem Wasservolumen abhängt. Dies kann der Micro-Controller bei dem Desinfektionszyklus berücksichtigen.
Produktion von freiem Chlor unter der Zugabe von Kochsalz:Production of free chlorine with the addition of common salt:
Die Produktion von Chlor unter der Zugabe von Kochsalz konnte deutlich erhöht werden.
Es zeigte sich, dass je mehr Kochsalz hinzu gegeben wurde, desto schneller wurde eine jeweilige Konzentration von freiem Chlor erreicht. Der erwünschte freie Chlorgehalt von 0,9 mg/l konnte beispielhaft bei der Zugabe von 2 g Kochsalz/10 l Leitungswasser schon nach ca. 1,5 min erreicht werden. Die Produktionszeit verringerte sich hierbei um das 6-fache im Vergleich zur Produktion ohne die Zugabe von Kochsalz.It was found that the more saline was added, the faster a respective concentration of free chlorine was reached. The desired free chlorine content of 0.9 mg / l could be achieved after about 1.5 minutes, for example, with the addition of 2 g of common salt / 10 l of tap water. The production time was reduced by 6 times compared to production without the addition of common salt.
Sollte der Anwender unbedingt die Produktion von freiem Chlor z. B. innerhalb von 15 Minuten beschleunigen, dann werden 20 g Kochsalz zu 100 l Wasser zugegeben.If the user absolutely needs the production of free chlorine z. B. within 15 minutes, then 20 g of sodium chloride are added to 100 liters of water.
Zerfall von freiem Chlor:Decay of free chlorine:
Der favorisierte Bereich von 0,1 bis 0,3 mg/l hielt am längsten an nach einer Produktion von ca. 0,9 mg/l. Dies entsprach einer Laufzeit der freien Chlorproduktion von 9 Minuten.The favored range of 0.1 to 0.3 mg / l lasted the longest after a production of about 0.9 mg / l. This corresponded to a duration of free chlorine production of 9 minutes.
In
Desinfektionszyklus: Aus den präsentierten Messergebnissen ergibt sich die Betriebsweise des Desinfektionszyklus (siehe Fig. 7).Disinfection cycle: The operating results of the disinfection cycle are shown in the presented measurement results (see Fig. 7).
Beispielhaft sieht der Desinfektionszyklus von 10 l Wasser ohne Zugabe von Kochsalz dann so aus:
Die jeweiligen Zeiten definieren einen Desinfektionszyklus und skalieren mit dem Wasservolumen. Sie lassen sich mit der Software des Micro-Controllers variieren. Ebenfalls kann der Micro-Controller die enthaltene Wassermenge messen und weiß dadurch, welche Eichung er bei welchem Volumen verwenden soll. Dadurch können die Richtlinien der Trinkwasserverordnung automatisch und wartungsfrei über einen gewünschten Zeitraum gewährleistet werden.The respective times define a disinfection cycle and scale with the volume of water. They can be varied with the software of the microcontroller. Also, the micro-controller can measure the amount of water contained and thus knows which calibration he should use at what volume. As a result, the guidelines of the Drinking Water Ordinance can be guaranteed automatically and maintenance-free over a desired period of time.
Leistung und Energieverbrauch:Power and energy consumption:
Mit einer Versorgungsspannung von 12 V hatte der Generator bei der Produktion eine Leistung 19,5 Watt. Dabei floss ein Strom von ca. 1,3 A durch die Elektroden.With a supply voltage of 12 V, the generator had a power of 19.5 watts during production. A current of approx. 1.3 A flowed through the electrodes.
Der Energieverbrauch des erfindungsgemäßen Verfahrens fällt aufgrund der Tatsache, dass der Generator nur für den Bruchteil eines Desinfektionszyklus tatsächlich Leistung erzeugt, sehr gering aus. Unter der Betrachtung des obigen Beispiels eines Desinfektionszyklus von 54 min mit der Produktion von 9 min würde der Generator einen Energieverbrauch von ca. 78 Wh pro Tag haben. Bei einer herkömmlichen Autobatterie mit ca. 1000 Wh kann der Generator über 12 Tage arbeiten und damit gewährleisten, dass das gewünschte Wasser über den gesamten Zeitraum antibakteriell bleibt.The energy consumption of the method according to the invention is very low due to the fact that the generator actually generates power only for the fraction of a disinfection cycle. Considering the above example of a disinfection cycle of 54 minutes with the production of 9 minutes, the generator would have an energy consumption of about 78 Wh per day. With a conventional car battery of approximately 1000 Wh, the generator can work for 12 days, ensuring that the desired water remains antibacterial throughout the entire period.
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