DE19636171A1 - Vorrichtung für die Wasserelektrolyse - Google Patents
Vorrichtung für die WasserelektrolyseInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung für die Was
serelektrolyse. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung
eine Vorrichtung für die Wasserelektrolyse, die basisches und sau
res elektrolysiertes Wasser erzeugt.
Mit der Entwicklung der Zivilisation ist die Umwelt in neuerer
Zeit durch industrielle, kommerzielle und private Abfälle ernst
haft verschmutzt worden. Insbesondere sind auch die Wasserressour
cen durch verschiedene giftige Abfälle außerordentlich verunrei
nigt worden, so daß unbehandeltes Wasser nicht mehr wie früher
direkt verbraucht werden kann.
Um reineres und sichereres Wasser erzeugen zu können, werden ver
schiedene Reinigungsgeräte und -verfahren angewendet. Diese Geräte
und Verfahren beruhen auf Verfahren zur Filtrierung, Sterilisa
tion, Absorption (Aktivkohle), Destillation oder Ionenaustausch.
Alle diese Geräte und Verfahren sind jedoch kostspielig und inef
fizient und damit unökonomisch.
Seit kurzem steht ein neues Wasser-Reinigungsgerät zur Verfügung.
Dieses Gerät beruht auf dem Prinzip der Elektrolyse in Kombination
mit einer Filtrierung und umfaßt im wesentlichen einen Isolierbe
hälter, zwei Elektroden (Anode und Kathode) und einen Dialysefilm,
um die zwei Elektroden voneinander zu trennen und den Behälter in
zwei Teile zu unterteilen. Das Wassermolekül dissoziiert in Was
serstoffionen H⁺ (Kationen) und Hydroxidionen OH⁻ (Anionen). Bei
reinem Wasser sind die Dissoziationskonstanten sowohl für die Was
serstoffionen H⁺ als auch für die Hydroxidionen OH⁻ 10-7. Dies be
deutet, daß der pH-Wert für reines Wasser 7 beträgt. Im allgemei
nen existieren Wassermoleküle nicht in Form von Einzelmolekülen.
Infolge der Wasserstoff-Brückenbindung agglomerieren die Wasser
moleküle in der Natur, um Cluster zu bilden. Ein Cluster von Was
sermolekülen enthält immer 6 bis 15 Wassermoleküle.
Auch verbinden sich Wasserstoffionen (H⁺) unter Bildung von Hydro
niumionen, wie H₃O⁺, H₇O₃⁺, etc. mit dem Wassercluster. Bei der
Elektrolyse nehmen die Wasserstoffionen (H⁺) ein Elektron auf und
bilden Wasserstoffgas (H₂). Die Reaktionsformel ist:
2H⁺ (oder 2H₃O⁺)+2e⁻→H₂+(2H₂O) (I)
Die Hydroxidionen verlieren ein Elektron unter Bildung von Sauer
stoff und Wasser. Die Reaktionsformel ist:
4OH⁻ (oder 4H₃O₂⁻) - 4e⁻ - → 2H₂O (oder 6H₂O)+O₂ (II)
Gemäß dem neuen Wasser-Reinigungsgerät für die Wasserelektrolyse
wird das Wasser durch den Dialysefilm, der Wasserstoffionen (H⁺)
und Hydroxidionen (OH⁻) am freien Durchgang hindern kann, in zwei
Teile aufgeteilt. Im Verlauf der Elektrolyse laufen die Reaktionen
nach den Formeln (I) und (II) simultan ab, und Wasserstoff und
Sauerstoff werden kontinuierlich erzeugt. Wasserstoff und Sauer
stoff können mit einem geeigneten Instrument gesammelt werden.
An der Anode ist die Elektrolysereaktion eine Oxydation der Formel
(II). Um die Formeln zu vereinfachen, werden alle Hydronium- bzw.
Oxoniumionen (H₃O⁺, H₇O₃⁺, H₃O₂⁻ oder H₇O₄⁻) als H⁺ oder OH⁻ darge
stellt:
H₂O - →H⁺+OH⁻
4OH⁻ - 4e⁻ - →O₂+2H₂O (II)
4OH⁻ - 4e⁻ - →O₂+2H₂O (II)
Unter diesen Bedingungen steigt die Konzentration von H⁺ im Verlau
fe der Elektrolyse, was bewirkt, daß der pH-Wert sinkt. Das bedeu
tet, daß das Wasser, das sich in dem die Anode enthaltenden Teil
befindet, saures elektrolysiertes Wasser ist. Wenn zudem andere
Anionen vorhanden sind, wie z. B. Chlorid (Cl⁻), Fluorid (F⁻) oder
Zyanid (CN⁻), führt die Elektrolyse zur Oxydation dieser Anionen,
so daß sie vom Wasser abgegeben werden können. Die Oxydationsreak
tion für die Anionen ist am Beispiel des Chlorids (Cl⁻):
2Cl⁻ - 2e⁻ - → CL₂
An der Kathode ist die Elektrolysereaktion eine Reduktion der For
mel (I):
H₂O - → OH⁻+H⁺
2H⁺+2e⁻ - →H₂ (I)
2H⁺+2e⁻ - →H₂ (I)
Unter diesen Bedingungen steigt die Konzentration der Hydroxid-Ionen
im Verlaufe der Elektrolyse, was bewirkt, daß der pH-Wert
steigt. Dies bedeutet, daß das Wasser, welches sich in dem die
Kathode enthaltenden Teil befindet, alkalisches elektrolysiertes
Wasser ist. Wenn außerdem andere Kationen vorhanden sind, wie z. B.
Ionen von Alkalimetallen oder Erdalkalimetallen, werden diese Ka
tionen durch die Elektrolyse reduziert und ausgefällt. Diese Nie
derschläge können dann aus dem Wasser nach herkömmlicher Art und
Weise abfiltriert werden. Die Reduktionsreaktion für die Kationen
ist am Beispiel des Ca2+:
Ca2++2e⁻ - →Ca.
Der Dialysefilm ist ein poröser Film und meist aus Silikaten her
gestellt. Im Gebrauch werden die Poren des Dialysefilms leicht
verstopft, oder der Film als solcher wird leicht erodiert und ver
liert seine Trenneigenschaften. Der Dialysefilm muß daher oft er
setzt werden, um die Dialyseeigenschaften zu erhalten.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung für
die Wasserelektrolyse zur Erzeugung von basischem elektrolysiertem
Wasser und saurem elektrolysiertem Wasser zur Verfügung zu stel
len.
Weiterhin ist es Gegenstand der vorliegenden Erfindung, eine Vor
richtung für die Wasserelektrolyse zur Erzeugung von basischem
elektrolysiertem Wasser und saurem elektrolysiertem Wasser bereit
zustellen, bei welcher eine Schicht eines dialytischen Films zwi
schen einer Anode und einer Kathode gebildet wird.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung besteht darin,
eine Vorrichtung für elektrolysiertes Wasser zur Verfügung zu
stellen, die zwei Zapfen aufweist, welche voneinander getrennt an
den beiden Enden eines Isolierbehälters angeordnet sind, worin
eine zylindrische Kathode und eine zylindrische Anode separat mit
den zwei Zapfen verbunden sind, die Kathode und die Anode koaxial
zu dem Behälter angeordnet sind und eine Vielzahl von Durchlässen
in den Seitenwänden der Anode und der Kathode vorgesehen sind.
Eine Gleichstromquelle wird mit den zwei Zapfen so verbunden, daß
Anode und Kathode geladen werden. Ein Antrieb ist vorgesehen, um
die zwei Zapfen unabhängig voneinander zu drehen, um dadurch die
Anode und die Kathode zu drehen. Die Rotationsgeschwindigkeit der
Anode unterscheidet sich von der der Kathode, und die Differenz
der Rotationsgeschwindigkeiten zwischen Anode und Kathode indu
ziert, daß sich zwischen diesen eine Schicht aus einem dialyti
schen Film bildet. Zwei Einlaß- und Auslaßöffnungen sind in den
zwei jeweiligen Enden des Behälters vorgesehen. Eine Auslaßöffnung
ist auf der Seite des Zapfens angeordnet, der die Anode verbindet,
um saures elektrolysiertes Wasser abzunehmen.
Weitere Aufgaben, Vorteile und neue Merkmale der Erfindung werden
aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit
den beigefügten Zeichnungen deutlich werden.
Fig. 1 ist eine perspektivische Ansicht der Vorrichtung für die
Wasserelektrolyse nach der vorliegenden Erfindung.
Fig. 2 ist eine Querschnittsansicht der vorliegenden Erfindung,
geschnitten längs entlang der Zapfenachse.
Fig. 3 ist eine Querschnittsansicht der vorliegenden Erfindung,
geschnitten radial entlang der Linie 3 aus Fig. 2.
Fig. 4 ist eine Querschnittsansicht längs durch ein anderes Aus
führungsbeispiel nach der vorliegenden Erfindung, bei dem zwei
Lagen einer Anode und einer Kathode alternierend in einem Isolier
behälter angeordnet sind.
Es wird Bezug genommen auf Fig. 1. Die vorliegende Erfindung für
die Wasserelektrolyse umfaßt zwei Zapfen 20 und 30, die getrennt
voneinander mit den jeweiligen beiden Enden eines Isolierbehälters
10 verbunden sind. Eine zylindrische Kathode 31 und eine zylindri
sche Anode 21 sind voneinander getrennt und jeweils mit den zwei
Zapfen 30 bzw. 20 verbunden. Ferner sind die Kathode 31 und die
Anode 21 koaxial zu dem Behälter 10 angeordnet. Kupferringe 23 und
33 und Elektrobürsten 24 und 34 sind getrennt mit den Zapfen 20
bzw. 30 verbunden, so daß eine Gleichstromquelle über die Kupfer
ringe 23 und 33 bzw. Elektrobürsten 24 und 34 an die Anode 21 und
die Kathode 31 angeschlossen werden kann. Ein Paar Riemenscheiben
22 und 32 ist gesondert auf den jeweiligen distalen Enden der Zap
fen 20 und 30 angeordnet, um einen Antrieb 40, wie z. B. einen Mo
tor, anzuschließen. Die Rotationsgeschwindigkeiten der Anode 21
und der Kathode 31 sind aufgrund der Riemenscheiben 22 und 32, die
unterschiedlichen Radius haben, und verschiedener Richtungen des
Treibriemenpaares 42 unterschiedlich.
Fig. 2 ist eine Querschnittsansicht der vorliegenden Erfindung,
geschnitten längs entlang der Achse der zwei Zapfen 20 und 30. Wie
zu sehen, sind zwei Zapfendurchlässe 11, zwei Lager 12 und zwei
Dichtungsringe 13 an den zwei jeweiligen Enden des Isolierbehäl
ters 10 angeordnet, um die zwei Zapfen 20 und 30 zu lagern. Ferner
sind zwei Einlaßöffnungen 14 an einem (vorzugsweise dem oberen)
Ende des Isolierbehälters 10 angeordnet und zwei Auslaßöffnungen
15 sind an dem anderen Ende des Isolierbehälters 10 angeordnet, um
Wasser einzufüllen und elektrolysiertes Wasser abzunehmen. Die
Anode 21 ist mit dem Zapfen 20 verbunden und in Form eines Hohl
zylinders ausgebildet. Eine erste Anzahl von Durchlässen ist homo
gen verteilt in der Seitenwand von Anode 21 vorgesehen, so daß
Wasser frei durch diese durchfließen kann. Obwohl die Größe der
Durchlässe in der Seitenwand der Anode 21 für die vorliegende Er
findung nicht kritisch ist, bewegt sich der bevorzugte Bereich der
Durchlaßgröße von 0,5 mm bis 10 mm. Der Zapfen 20 und die Anode 21
definieren einen Durchgangsweg 25, der in der Umgebung der Anode
21 elektrolysiertes Wasser zu einem Ausgang 26 bringt. Eine Was
sersammelkammer 27 ist außerhalb des Zapfens 20 angeordnet, um das
Wasser aus dem Ausgang 26 zu sammeln, und ein Abflußrohr 28 ist so
an der Wassersammelkammer 27 angeordnet, daß das Wasser abgeführt
wird.
Eine Kathode 31 ist mit dem Zapfen 30 verbunden, und diese Kathode
31 ist ebenfalls in Form eines Hohlzylinders ausgebildet. Die Ka
thode 31 und die Anode 21 überlappen in dem Isolierbehälter 10 in
der Weise, daß die Anode 21 innerhalb der Kathode 31 aufgenommen
wird. Eine zweite Anzahl von Durchlässen ist ebenfalls homogen
verteilt in einer Seitenwand der Kathode 31 angeordnet, so daß
Wasser frei, ohne Widerstand durch die Kathode 31 fließen kann.
Es wird weiter Bezug genommen auf Fig. 1 und 3. Wenn der An
trieb 40 gestartet wird, treibt eine Antriebswelle 41 die Treib
riemen 42, und die Treibriemen 42 treiben dann die Riemenscheiben
22 und 32. Weil die Radien der Riemenscheiben 22 und 32 unter
schiedlich sind, sind die Rotationsgeschwindigkeiten der Anode 21
und der Kathode 31 nicht gleich. Bei der Rotation bringen die Ano
de 21 und die Kathode 31 das in dem Isolierbehälter 10 enthaltene
Wasser zur Rotation. Auf diese Weise wird innerhalb eines begrenz
ten Bereiches zwischen der Anode 21 und der Kathode 31 eine
Schicht aus einem dialytischen Film 50 gebildet. Die Rotationsge
schwindigkeit des dialytischen Films 50 ist deutlich verschieden
von der in der Nähe der Anode 21 und der Kathode 31. Dadurch
mischt sich das um die Anode 21 elektrolysierte Wasser nicht mit
dem Wasser an der Kathode 31. Das soll heißen, saures, in der Ano
de 21 erzeugtes elektrolysiertes Wasser und basisches elektroly
siertes Wasser, erzeugt in Kathode 31, werden sich nicht mischen.
Unter weiterer Bezugnahme auf Fig. 2 fließt das basische elektro
lysierte Wasser aus der Auslaßöffnung 15 ab. Ein (in den Zeichnun
gen nicht gezeigter) Filter kann zur weiteren Reinigung des aus
Öffnung 15 ausfließenden Wassers vorgesehen sein. Das an Anode 21
erzeugte saure elektrolysierte Wasser wird durch den Durchlaßweg
25 aus der Anode 21 abgeführt, der durch den Zapfen 20 und die
Anode 21 zu einem Ausgang 26 führend festgelegt ist. Das saure
elektrolysierte Wasser wird in der Wassersammelkammer 27 gesammelt
und läuft dann durch das Abflußrohr 28 ab. Das saure elektroly
sierte Wasser wird von der Anode 21 durch den Durchlaßweg 25 mit
tels eines Siphoneffekts in die Wassersammelkammer 27 ausgestoßen.
Ferner wird das in dem Isolierbehälter 10 enthaltende Wasser in
Rotation gehalten, wodurch irgendwelche festen Teilchen oder Nie
derschläge nach außen getrieben werden, was das Wasser weiter rei
nigen kann.
Es wird Bezug genommen auf Fig. 4, in der eine Ansicht eines wei
teren Ausführungsbeispieles nach der vorliegenden Erfindung im
Längsschnitt gezeigt ist, bei dem die Anode 21 ein erstes Paar
koaxialer Trommeln umfaßt und die Kathode 31 ein zweites Paar koa
xialer Trommeln umfaßt, die in dem Isolierbehälter 10 alternierend
angeordnet sind, um die Kontaktfläche zwischen dem Wasser und den
Elektroden (Anode 21 und Kathode 31) zu erhöhen. Die vergrößerte
Kontaktfläche zwischen den Elektroden und dem Wasser kann die Ef
fizienz der Elektrolyse steigern und ihre Produktivität erhöhen.
Obwohl zahlreiche Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Er
findung in der vorangegangenen Beschreibung zusammen mit Einzel
heiten der Struktur und Funktion der Erfindung beschrieben sind,
sollte es so verstanden werden, daß die Offenbarung nur der Ver
anschaulichung dient und im einzelnen Änderungen vorgenommen wer
den können, insbesondere hinsichtlich der Form, Größe und Anord
nung von Teilen, die innerhalb des Prinzips der Erfindung im vol
len Ausmaß dessen liegen, was durch die breite allgemeine Bedeu
tung der Begriffe, mit denen die angefügten Ansprüche formuliert
sind, angezeigt ist.
Claims (6)
1. Vorrichtung für die Wasserelektrolyse mit zwei voneinander
getrennt an zwei Enden eines Isolierbehälters angeordneten
Zapfen, wobei eine zylindrische Kathode und eine zylindrische
Anode getrennt voneinander jeweils mit einem der zwei Zapfen
verbunden sind, die Kathode und die Anode koaxial zu dem Be
hälter sind, eine erste Zahl von Durchlässen in einer Seiten
wand der Anode und der Kathode vorgesehen sind, eine Gleich
stromquelle an die zwei Zapfen angeschlossen ist, so daß die
Anode und die Kathode geladen werden, ein Antrieb zum separa
ten Drehen der zwei Zapfen, um damit die Anode und die Katho
de zu drehen, vorgesehen ist, die Rotationsgeschwindigkeit
der Anode unterschiedlich von der der Kathode ist und die
Differenz der Rotationsgeschwindigkeiten zwischen der Anode
und der Kathode eine Schicht eines dialytischen Films
zwischen diesen induziert, zwei Einlaß- und Auslaßöffnungen
jeweils an den beiden Enden des Behälters vorgesehen sind und
eine Auslaßöffnung auf einer Seite des die Anode verbindenden
Zapfens vorgesehen ist, um saures elektrolysiertes Wasser zu
sammeln.
2. Vorrichtung für die Wasserelektrolyse nach Anspruch 1, wobei
die zylindrische Kathode und die zylindrische Anode mehr
schichtig sind und die mehrschichtige Anode und die mehr
schichtige Kathode alternierend angeordnet sind, um die Kon
taktfläche zwischen dem Wasser und der Kathode und der Anode
zu vergrößern.
3. Vorrichtung für die Wasserelektrolyse nach Anspruch 1 oder 2,
wobei der Isolierbehälter zylindrisch ist.
4. Vorrichtung für die Wasserelektrolyse nach Anspruch 1, wobei
die Anode und die Kathode untereinander austauschbar sind.
5. Vorrichtung für die Wasserelektrolyse nach Anspruch 1 oder 2,
wobei ein Kupferring und eine Elektrobürste an jeweils äuße
ren Enden der zwei Zapfen angeordnet sind.
6. Vorrichtung für die Wasserelektrolyse nach Anspruch 1 oder 2,
wobei der mit der Anode verbundene Zapfen hohl ist und eine
Auslaßöffnung auf einer Seite des Zapfens angeordnet ist, die
sich nach außerhalb des Behälters erstreckt und eine Abfluß
kammer anschließt.
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