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Die
auf dem Markt befindlicher Geräte,
die das Elektrodyaphragmaprinzip einsetzen, verwenden Rohrförmigen Reaktoren
(1), die aus einer Natriumchloridlösung ein
desinfizierendes Mittel herstellen. Als Lösungsmittel für das Natriumchlorid
wird ein sehr weiches Wasser eingesetzt. Dieses Weichwasser (Härte << 8°dHG)
wird durch verschiedene Prozesse (Ionenaustauscher, Mikrofiltration,
o. ä) aus
dem Trinkwasser gewonnen. Auch der Leitwert spielt bei den meisten
Anlagen eine sehr wichtige Rolle und genau deshalb wird nach der
Enthärtung
auch Maßnahmen
getroffen um den Leitwert unter dem 300 uS zu senken. Das Mittel
das desinfizierend wirkt, wird mittels einer Dosierpumpe, in Abhängigkeit
von dem Wasserverbrauch, in die Trinkwasserleitung geimpft. Die
Zusammensetzung des Desinfektionsmittels muss der Trinkwasserverordnung
entsprechen, deshalb ist die Unterstützung eines anerkannten Labors
bei der Überwachung
der produzierten Komponenten unabdingbar.
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Der
Reaktor (Elektrolysezelle), besteht aus einer Anode, einer Kathode
und eine Membran, die den Zwischenraum in zwei Teilen aufteilt.
Der Raum zwischen der Membran und der Anode wird meist als Anodenraum
bezeichnet und der zwischen der Kathode und Membran als Kathodenraum.
Das Elektrolyt fließt
durch diesen Räumen
hindurch. Die Membran sichert die Trennung der durch die Elektrolyse
entstehenden Stoffen. Die Membran ist ionendurchlässig. An
die Anode wird der positive Pol- und an die Kathode der negative
Pol des Netzteils angeschlossen.
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Die
Desinfektionslösung
wird oft als Anolyt bezeichnet, weil dieses Mittel in dem Anodenraum
(1, Ar) entsteht. Die Lösung die im Kathodenraum (1,
Kr) entsteht, wird oft als Katholyt bezeichnet. Dieses Katholyt
wird meist direkt in den Abwasserkanal geleitet.
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Die
Elektroden (1, A) und (1,
K), die Anode und bzw. Kathode werden mittels einem Netzteil mit
Strom versorgt. Die Spannungen liegen in der Praxis in dem Bereich
von 8 bis 24 V/Reaktor und der Strom bei 7 A bis 15 A/Reaktor (der
Strom hängt
von der Konzentration des Elektrolyts ab).
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Die
Salzkonzentration in der Lösung
die für
die Herstellung des Desinfektionsmittels verwendet wird, liegt meist
bei einem Wert zwischen 0,7% und 2%. Eine niedrigere Konzentration
verursacht eine schwache desinfizierende Wirkung des Anolytes und
eine höhere
Konzentration verursacht eine frühere
Zusetzung der Reaktoren, eine stärkere
Korrosion in den Trinkwasserleitungen (Rostwasser) und eine hohe
Umweltschädigung
durch einer hohen Salzkonzentration in der Anolyt und Katholyt (Abwasser).
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In
der Praxis werden meist Konzentration zwischen 0,7% und 1,5% eingestellt.
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Die
Reinigung der Reaktoren wird hauptsächlich mit einer Säurelösung durchgeführt. Diese
Entkalkung muss um so öfter
durchgeführt
werden desto höher
die Wasserhärte
und der Elektrolysestrom sind.
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Diese
Entkalkung wird mehr oder weniger manuell durchgeführt. Die
Verfügbarkeit,
Korrosionsgefahr für
die Wasserleitungen und die Wirkung des Desinfektionsmittels ist
stark abhängig
von der rechtzeitiger Spülung
(Entkalkung) und von der Effektivität der Reaktoren (Wirkungsgrad).
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Der
im Schutzanspruch 1 angegebenen Erfindung, liegt das Problem zugrunde,
eine Anlage zu konzipieren, die mittels Elektrodiaphragmalyseverfahren
eine Desinfektionslösung
produziert, die umweltfreundlicher als die auf dem Markt befindlichen
Geräte
arbeitet, eine viel höhere
Anlagenverfügbarkeit
erreicht, wo die Betriebskosten nur einen Bruchteil von den Kosten
aufweist, die bei solchen Anlagen üblich sind und der Wirkungsgrad
der Reaktoren höher
ist als bei der rohrförmigen
Bauweise. Die durchgeführten
Analysen (von einem anerkannten Labor-Chemisches Institut Pforzheim
GmbH und Bayerisches Landesamt für
Gesundheit und Lebensmittelsicherheit/SAL-akkreditiertes Prüflaboratorium)
zeigen diesen hohen Wirkungsgrad.
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Funktionsbeschreibung der
Anlage
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Die
Anlage besteht aus einem elektronischen Steuerteil (Prozessorgesteuert,
mit Klartextausgabe, Fehlfunktionsauswertung, Fernmeldung u. s.
w.) der hier nicht weiter beschrieben wird, einem Hydraulikteil
und einem Reaktormodul (Reaktorblock) 3.
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Das
Rohwasser (FW, 2) das eine Härte im Bereich
0°dH bis über 30°dHG haben
darf (kein Ionenaustauscher, Osmoseanlage oder Mikro/Nanofiltration
ist nötig)
wird durch dem 1.Feinfilter (10–50
um) durchgeleitet.
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Die
Pumpe P1 ist eine Kolbenpumpe/Membranpumpe die getaktet wird. Die
Taktfrequenz ist von der Flowmeter und der Software angesteuert.
Der Mischer sichert eine homogene Elektrolytlösung. Die Konzentration dieser
Lösung
wird in der Software (messwertabhängig) festgelegt. Ein Regelkreis
sichert die gleichbleibende Qualität des Desinfektionsmittels.
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Diese
Lösung
fließt
in den Reaktorblock (2, X) und verlässt den
Block durch den Anschluss B (2). Diese
zum Teil aufbereitete Lösung,
fließt
in das 1. Reaktionsglass (2, 1.) und
da werden die Wasserstoff + Natrium + Sauerstoff – Verbindungen
durch den Anschluss G (2) und Anschluss I (2)
in das 2. Reaktionsglass (2, 2.) eingeleitet.
Von hier fließt
diese stark verdünnte
Lauge durch den Anschluss Y (2) und MV7
(2) in den Abfluss oder in einen Sammelbehälter (2).
Das Volumen von dieser Flüssigkeit
liegt bei 15% des Gesamtelektrolytstromes der in dem Mischer aufbereitet
wird.
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Aus
dem 1. Reaktionsglas (2, 1), Anschluss F (2)
fließt
das zum Teil aufbereitete Desinfektionsmittel in den Reaktorblock
(2) zurück.
Jetzt wird eine weitere Anreicherung des Elektrolytes mit Sauerstoff,
Chlor und OH-Verbindungen erreicht. Die Flüssigkeit die durch den Anschluss
D (2) herausfließt, bildet
das hergestellte Desinfektionsmittel. Dieses Mittel strömt durch
das MV8 (2) und das MV9 (2) hindurch
und befüllt
einen kleinen Behälter
der als Puffer für
die Dosierpumpe dient.
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Die
mittleren Rohwasserwerte werden in die Software aufgenommen, sodass
die Steuerung ganz genau weißt,
wann eine Spülung
der Anlage erfolgen muss, um die gleichmäßige Qualität des Desinfektionsmittels
sicher zu stellen. Um die Spülung
anzuleiten, werden die MV1, MV4, MV5, MV6, MV7, MV8 (Alle in der 2)
angesteuert.
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Die
MV2, MV3, und MV9 (Alle in der 2) bleiben
stromlos.
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Jetzt
fängt die
Pumpe P1 (2) an, die 3%ige Zitronensäure aufzubereiten
(aus den Spülbehälter wird
eine 15%ige Zitronensäurelösung angesaugt
und in dem Mischer auf ein 3%ige Konzentration eingestellt). Für eine Spülung werden
min. 200 ml und bei größeren Reaktoren,
max. 500 ml 3%ige Zitronensäure verbraucht.
Es wird einmal nach jeder 100 Liter Desinfektionsmittelherstellung
gespült
(Ausgangspunkt: Rohwasserhärte
27°dHG,
Leitwert 800 uS/cm). Bei einer Desinfektionsmittelimpfung von 0,5%,
werden somit max. 0,5 Liter 3%ige Zitronensäure verbraucht um 20000 Liter
Trinkwasser sicher desinfizieren zu können. Bei den Kleinanlagen
(bis 6000 Liter-Trinkwasser/Stunde) werden max. 250 ml 3%ige Zitronensäure verbraucht
um 20000 Liter Trinkwasser zu desinfizieren.
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Nach
der Befüllung
des Systems, werden die MV1 und MV4 (2) abgeschaltet
und jetzt wird diese Lösung
drei Minuten lang im Kreis, durch die Reaktoren, Ventile und Reaktionsgläser durchgepumpt.
Durch den Anschluss J (2) des 2. Reaktionsglases (2,
2.) wird entgast. Nach dem Ablauf dieser Zeit, werden MV1 und MV4
eingeschaltet, MV7 (alle Ventile in 2) ausgeschaltet
und mit Rohwasser das System zwei Minuten lang durchgespült.
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Wenn
die Steuerung merkt dass zu wenig Zitronensäure in den Spülbehälter ist,
gibt diese eine Meldung aus (Klartext auf der LCD-Anzeige und eine
Fernmeldung). Innerhalb von 24 Std. muss der Zuständige eine
Portion (vorgefertigtes Gebinde) Zitronensäuregranulat in den Spülbehälter einleeren
und die Quittiertaste betätigen.
Danach läuft
die Anlage wieder 100%ig selbstständig weiter. Das ist alles
was der Betreiber für
die Funktion der Anlage tun muss. Die Anlage führt all die Schritte aus, die
bei der Desinfektionsmittelherstellung ausgeführt werden müssen, aber
eine Minute lang schickt sie dieses Mittel lediglich in den Abfluss.
Zweck: Selbstdesinfektion. Danach schaltet das MV9 (2)
um. Ab diesem Zeitpunkt wird das Mittel in den Spülbehälter hineingeleitet
um das Spülmittel
aufzubereiten. Wenn der Spülbehälter voll
ist (nach wenigen Minuten) kann die Anlage wieder in den Pufferbehälter Desinfektionsmittel
produzieren.
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Wasserverbrauchabhängig, muss
der Spülbehälter frühestens
nach 7–31
Tagen wiederbefüllt
werden. Wenn der Prozessor merkt, dass die Elektrolytkonzentration
mit den abgespeicherten Maximalwerten für die 28%iger Sole nicht mehr
erreicht werden kann, schickt er eine Störmeldung an das Zentralleitsystem.
Diese Meldung bedeutet dass in den 28%igen Behälter vergessen wurde Salztabletten
nachzufüllen.
Die Meldung wird in Klartext ausgegeben. In diesem Behälter müssen immer,
nicht aufgelöste
Salztabletten zu sehen sein (28%ige Lösung).
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Das
Reaktormodul (Elektrolysemodul) besteht aus n × 4 Kammern und n × 2 Reaktionsgläser wo n eine Ganzzahl ist.
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Der
Reaktorblock hat eine Sandwich-Konfiguration (3).
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Die
Membran (3, M) liegt zwischen der Anode
(3, A) und Kathode (3, K).
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In
der Minimalkonfiguration werden vier Kammer und zwei Reaktionsgläser verwendet.
Die Anoden bestehen aus iridiumoxydbeschichteten Titanplatten. Die
Kathoden aus Edelstahlplatten (V2A). Diese Platten haben alle die
gleichen Flächen,
welche parallel zueinander liegen, was dazu führt dass der Stromfluss in
dem Elektrolyt überall
gleich ist und somit der Elektrolyseprozess 100%ig gleichmäßig in der
ganzen Elektrolytmasse stattfindet. Die Wirkstoffausbeutung liegt
somit höher
als bei den Reaktoren die eine zylindrische Form haben.
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Die
Anoden (3, A) werden von den Kathoden
(3, K) mittels Membranen (3, M) und
Hohlräumen
(Anodenräumen – 3,
Ar – und
Kathodenräumen – 3,
Kr –)
getrennt. Diese Membrane bestehen aus porösen Platten oder Gewebe. Als
Werkstoffe können
Kunststoffe, Keramiken oder sehr gut leitenden und korrosionsbeständigen Materialien
verwendet werden. Bei der Ausführung
mit leitenden Membranen, wird die Spannung welche auf der Membran
entsteht für
Regelungszwecke eingesetzt.
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Diese
Probleme werden mit den im Schutzanspruch 1 aufgeführten Merkmalen
gelöst:
Mit
dieser Erfindung wird die Anlageverfügbarkeit stark erhöht und die
Umweltbelastung durch Versalzung des Abwassers um mehr als 50% reduziert.
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Durch
diese Erfindung werden die Betreiberkosten für die Anlagenüberwachung
und die Instandhaltung der Anlage auf einen Minimum reduziert.
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Durch
die sprunghafte Effektivitätserhöhung der
Reaktoren, sinkt die Korrosionsgefahr für die Wasserinstallationen
die aus eisenverzinkten Rohren bestehen (weniger oder gar kein Rostwasser)
drastisch und naturgemäß, der Salz- und Spülmittelverbrauch,
was zu einer noch bedeutsamer Betriebskostensenkung und zum Umweltschutz
fuhrt.
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Es
entstehen keine Extrakosten für
die Weichwasseraufbereitung. Diese Anlage schützt die Umwelt nicht nur durch
viel weniger Salzverbrauch für
die Elektrolytaufbereitung, sondern braucht auch keinen Ionenaustauscher
als Wasseraufbereiter.
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Wie
bekannt ist, verbraucht ein Ionenaustauscher viel Salz und laut
DVGW-Vorschriften,
darf ein Ionenaustauscher max. 8°dHG
enthärten.
Wenn das Trinkwasser aber 27- oder gar 30°dHG hat, müssen entweder mehrere Ionenaustauscher
vorgeschaltet werden oder nur einen (der die Vorschriften nicht
respektiert), der aber alle Karbonate aus dem Wasser entfernen muss,
d. h. er muss sehr oft regenerieren. Bei 27°dHG würde es heißen, dass für die Regeneration sehr viel
Salz verbraucht wird. Dieses Salz, welches in das Abwasser gelangt,
belastet unnötig
die Umwelt. Der Wasserverbrauch für die Regeneration und Spülung des
Ionenaustauschers bringt noch höhere
Betriebskosten mit sich. Die Verkeimungsgefahr des Harzes der in
den Ionenaustauschern eingesetzt ist, bringt Extrakomplikationen
mit sich.
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Um
den nichthomogenen Stromfluss aus den rohrförmigen Reaktoren zu beseitigen,
wird durch diese Erfindung ein neues Reaktormodul realisiert, wo
alle Ströme
gleich sind und die Elektrolyseprozesse homogen und hocheffektiv
ablaufen.
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Es
wird nur ein Bruchteil des Materialeinsatzes benötigt, d. h. dass weniger Salz,
viel weniger Spülmittel
und weniger Energie gebraucht wird um die gleichen Ergebnissen zu
erzielen als mit den Anlagen die als aktuellen Stand der Technik
bezeichnet sind.
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Ein
Ausführbeispiel
der Erfindung wird anhand der 2 und des
Messergebnissen erläutert.
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In
der Praxis wurden Elektrolyten mit einer 0,3%- bis 0,5%igen Salzkonzentration
und einem Strom von 5A folgende Ergebnisse erzielt:
| Parameter | Ergebnis | Dimension | Prüfverfahren
(Norm) |
| pH-Wert | 7,04 | | DIN
3804-C5 |
| elektrische
Leitfähigkeit | 28 | mS/cm | DIN
EN 27888 (C8) |
| Chlor
frei (Cl2) | 183,6 | mg/l | Hach
Lange; LCK 310 |
| Chlordioxid
(ClO2) | 263 | mg/l | Hach
Lange; LCK 310 |
| Ozon
(O3) | 156,3 | mg/l | Hach
Lange; LCK 310 |
| Redox | 1316 | mV | DIN3804 |
| Wasserstoffperoxid (H2O2) | 95 | mg/l | Hach
Test-Kit 2291700 |
- Pforzheim, den 17.05.2006
- Dipl. Ing. Chemie Marlene Gojan
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Für die Aufbereitung
des Desinfektionsmittels wurde Wasser mit einer Härte von
27°dHG verwendet (ohne
Ionenaustauscher!), Salztabletten und einer Wassertemperatur von
15°C. Die
Trinkwasserinstallation ist fast 100 Jahre alt, welche sehr verrostet
ist und mit einer inneren, dicken Biofilmschicht überzogen
war.
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Es
wurden keine Maßnahmen
für die
Ausfilterung der Biofilmspuren unternommen, um den schlimmsten Fall
für die
Analysen zu simulieren. Wichtig war zu wissen, ob die THM-Konzentration
der in den Reaktoren entsteht, nach einer 1,0%igen Impfung in den
Grenzen der Trinkwasserverordnung bleibt oder nicht.
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Das
war sehr wichtig, da die Obergrenze von THM in der Trinkwasserverordnung
sehr strikt limitiert ist. Die Rostbelastung des Rohwassers war
auch sehr hoch. Nach weniger als 14 Tagen ist der Soleschlauch hellbraun
geworden. Trotzdem, wie diese Analyseergebnisse zeigen, sind die
Qualität
und die Wirkung dieses Mittels ausgesprochen gut gewesen.
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Bei
einer Dosierung von max. 0,8%, liegt die Summe der THM in dem Trinkwasser
bei 10,8 ug/l. Auf jeden Fall, bei stark belastetem Rohwasser (z.
B. Eigenbrunnen, starke organische Belastungen usw.), wird die Vorschaltung
eines extrafeinen Filters, um die THM-Konzentration in den Grenzen
zu halten, eine klare Option bleiben.
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Die
Tests haben ergeben, dass eine Erhöhung der Elektrolytkonzentration,
nur zum Teil auch eine Erhöhung
der Wirksamkeit des Desinfektionsmittels mitbringt, dafür aber eine
drastische Mehrbelastung für
die Umwelt und die Trinkwasserinstallationen.
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Bei
einer Elektrolytkonzentration von 0,8%, Strom = 10 A und einer Laufzeit
von sechs Monaten, sind die ersten Spuren von Rostwasser erschienen.
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Nach
der Senkung dieser Konzentration auf 0,4% ist das Rostwasser verschwunden,
und in den nächsten
sechs Monaten nicht mehr erschienen. Die Desinfektion hat aber weiterhin
die erwartete Wirkung aufgebracht und die Verkeimung weit unter
der 100 KBE-Grenze gehalten, im Durchschnitt zwischen 0- bis 40 KBE
(Legionella/Pseudomona) im Warmwasser. (Analysen durch den Bayerischen
Landesamt für
Gesundheit und Lebensmittelsicherheit/SAL-akkreditiertes Prüflaboratorium).
Im
Kaltenwasser bei NULL-KBE. CHEMISCHES
INSTITUT PFORZHEIM
GMBH
| Probennummer: | 200602664 |
| Prüfzeitraum: | 08.05.2006
16.05.2006 |
| Probenart: | Desinfektionsmittel(Anolyt) |
| Prüfergebnisse | 200602664 |
| Parameter | Ergebnis | Dimension | BG | Prüfverfahren(Norm) |
| Hypochlorit | 161 | mg/l | | |
| Bromat
(BrO3-) | - | mg/l | 0,01 | DIN
EN ISO 15061 (D34) |
| Trichlormethan (Chloroform) | 495 | μg/l | 0,5 | DIN
EN ISO 10301 (F4) |
| Bromdichlormethan | 39,9 | μg/l | 0,5 | DIN
EN ISO 10301 (F4) |
| Dibromchlormethan | 5,81 | μg/l | 0,5 | DIN
EN ISO 10301 (F4) |
| Tribrommethan | 5,33 | μg/l | 0,5 | DIN
EN ISO 10301 (F4) |
| Summe
Trihalogenmethane | 546,04 | μg/l | | DIN
EN ISO 10301 (F4) |
| Probennummer: | 200603297 |
| Prüfzeitraum: | 29.05.2006
01.06.2006 |
| Probenart: | Geimpftes
Trinkwasser |
| Prüfergebnisse | 200603297 |
| Parameter | Ergebnis | Dimension | BG | Prüfverfahren (Norm) |
| Hypochlorit | 0,10 | mg/l | | |
| Bromat
(BrO3-) | < 0,01 | mg/l | 0,01 | DIN
EN ISO 15061 (D34) |
| Trichlormethan (Chloroform) | 1,07 | μg/l | 0,5 | DIN
EN ISO 10301 (F4) |
| Bromdichlormethan | 2,42 | μg/l | 0,5 | DIN
EN ISO 10301 (F4) |
| Dibromchlormethan | 4,32 | μg/l | 0,5 | DIN
EN ISO 10301 (F4) |
| Tribrommethan | 3,01 | μg/l | 0,5 | DIN
EN ISO 10301 (F4) |
| Summe
Trihalogenmethane | 10,82 | μg/l | | DIN
EN ISO 10301 (F4) |