DE202009008039U1 - Vorrichtung zur Verhinderung carbonatischer Ablagerungen ("Kesselstein") in Wasser führenden Systemen und Anlagen - Google Patents

Abstract

Bei der Vorrichtung handelt es sich um eine als Rohrreaktor ausgeführte Elektrolysezelle bei der
– als Stromquelle eine temporäre Gleichspannungsquelle (3) eingesetzt wird,
– die Kathode (1) aus VA-Edelstahl gefertigt ist,
– die Anode (2) aus reinem Kupfer gefertigt ist,
– Nach der Elektrolyse eine Kupfer-Ionen selektive Elektrode (4) angebracht ist.

Description

• Kesselstein bzw. Kalkablagerungen (CaCO₃) in Wasser führenden Rohrsystemen und industriellen Anlagen stellen immer noch ein großes Problem dar. Ein Verlust der Funktionstauglichkeit von Rohrleitungen und Absperrorganen sowie zu großer Energieaufwand für den Wassertransport, Verschlechterung des Wärmedurchgangs mit Minderung der Wirtschaftlichkeit bis hin zur Zerstörung der Anlagen seien einige beispielhaft zu nennende Schwierigkeiten. Zur Verhinderung von Kesselsteinbildungen werden dem Wasser daher so genannte Härtestabilisatoren zugegeben. Der Vorteil besteht in einer sehr geringfügigen Dosierung, normalerweise unter 10 PPM. Die am häufigsten verwendeten Härtestabilisatoren sind Polyphosphate oder organische Verbindungen wie Phosphonate und Polyelektrolyte. Durch Adsorption dieser Verbindungen an vorhandene CaCO₃-Keimkristalldefekte wird die Keimbildung stark verzögert und die CaCO₃-Abscheidungsgeschwindigkeit deutlich reduziert.
• Auch geringe Dosierungen von Zink-Ionen können zur Verhinderung von Kalkablagerungen in Wasser Führenden Systemen eingesetzt werden. Dabei sind Wasseraufbereitungsvorrichtungen bekannt, die auf der Basis von Zn²⁺-Ionen Kesselsteinbildungen verhindern sollen (z. B. EP 0680457B1 , EP 20000102554A2 , DE 10 2004 056 066 A1 ). Danach wird eine Zink Opferanode in einen Wasserkreislauf eingebracht. Durch die unedlere Zinkanode und das mit dem Wasserrohr verbundene edlere Gehäuse aus höherwertigen Legierungen wird ein galvanisches Element erzeugt und Zn²⁺-Ionen an das Wasser abgegeben. Die Zink-Ionen sollen die Bildung von mikroskopischen CaCO₃-Kristallen fördern, an deren Oberfläche im Wasser gelöste Carbonate auskristallisieren. Dies soll dazu führen, dass sich die Carbonate nicht mehr an der Rohr Innenwand als Kesselstein abscheiden sondern in der flüssigen Phase weitertransportiert werden. Im Gegensatz zu den Härtestabilisatoren sind eindeutige Leistungs- bzw. Wirkungsaussagen für diese Wasseraufbereitungsvorrichtungen noch nicht vorhanden.
• Daher wird folgend eine neue technische, auf elektrochemischer Basis arbeitende Vorrichtung zur Verhinderung carbonatischer Ablagerungen in Wasser führenden Systemen und Anlagen vorgeschlagen. Bei der Vorrichtung handelt es sich um eine als Rohrreaktor ausgeführte Elektrolysezelle (A), welche in ein Wasser führendes Rohrsystem (5), (6) installiert werden kann. Diese besteht aus einem Mantelrohr aus VA-Edelstahl, welches gleichzeitig die Kathode (1) bildet. Mittig zentriert wird ein zylindrischer Kupferstab (2) angeordnet, welcher als Opferanode dient. Der freie Raum wird von dem zu behandelnden Wasser durchströmt. Um vernünftige Baulängen zu gewährleisten, können mehrere Reaktoren zu Rohrbündeln zusammengefasst werden und je nach Erfordernis entweder nacheinander oder parallel durchströmt werden. Bei der genauen Ausführung richten sich Zellendurchmesser, Zellenlänge und Zellenzahl nach den gestellten Erfordernissen.
• Beim Anlegen einer Gleichspannung (3) zwischen 1 und 2 Volt laufen an den Elektroden dann folgende Reaktionen ab:
  Anode: 2Cu → 2Cu²⁺ + 4e^–
  Kathode: 2H₂O + O₂ + 4e^– → H₂ + 4OH^–
• Die Cu²⁺-Konzentration im Wasser kann mit Hilfe einer Kupfer-Ionen selektiven Elektrode (4) gemessen werden. Durch eine Kopplung mit der Spannungsquelle (3) kann der Elektrolysestrom und somit die Kupfer-Ionen Abgabe automatisch reguliert werden.
• In B ist der Einfluss von Cu²⁺-Ionen auf die Kalkabscheidungsgeschwindigkeit einer wässrigen Lösung mit einer Calcium Konzentration von 4.0 mmol/L, einer Bicarbonat Konzentration von 8.0 mmol/L und einem Sättigungsindex von 1.6 dargestellt. Der obere Teil zeigt die durch die Kupfer-Ionen verursachte Verzögerungszeit Δt_Ind der CaCO₃-Abscheidung in Abhängigkeit von der zugegebenen Cu²⁺-Konzentration, während im unteren Teil die durch die Cu²⁺-Ionen verursachte Inhibition (%) der Kalkausscheidung in Abhängigkeit von der Cu²⁺-Konzentration dargestellt ist.
• In carbonathaltigen Lösungen reagieren die Kupfer-Ionen zu neutralen CuCO₃ ⁰-Komplexen, welche die potentiellen Bindungen von CaCO₃-Keimkristallen blockieren. Die Folge ist ein Anstieg von Δt_Ind und eine Zunahme der Inhibition bis zu ca. 35% (Bereich A). Mit zunehmender Cu²⁺-Konzentration bilden sich fein verteilte und amorphe Kupferhydroxid Partikel, welche die heterogene CaCO₃-Keimbildung fördern und dem Inhibitionsprozess entgegenwirken. Folglich steigt Δt_Ind und auch der Inhibitionseffekt mit zunehmender Cu²⁺-Konzentration nur schwach an (Bereich B). Cu²⁺-Konzentrationen größer als 1.5 mg/L führen zu einer Transformation von Kupferhydroxid in kristallines und stabiles Malachit. Diese größeren und nicht so fein verteilten Partikeln fördern die heterogene CaCO₃-Keimkristallbildung nur schwach, so dass die Blockierung der potentiellen Bindungen der CaCO₃-Kristalle durch CuCO₃ ⁰-Komplexe dominiert. Die Folge ist ein signifikanter Anstieg von Δt_Ind und der Inhibition (Bereich C), wobei Cu²⁺-Gehalte oberhalb 2.0 mg/L zu einem Inhibitionseffekt von bis zu 90% führen. Höhere Cu²⁺-Konzentrationen führen zu größeren Mengen an Malachit Partikeln, die eine leichte Abnahme der Verzögerungszeit bewirken, da auch diese die heterogene CaCO₃-Keimkristallbildung leicht fördern (Bereich D). Dabei hat der Cu²⁺-Gehalt keinen weiteren Einfluss auf den Inhibitionseffekt.
• Wird die oben beschriebene Vorrichtung vor ein Wasser führendes System oder eine Wasser führende Anlage installiert, so bewirken die abgegebenen Kupfer-Ionen eine deutliche Verzögerung einer Kalkablagerung sowie eine starke Reduktion der CaCO₃-Abscheidungsgeschwindigkeit. Dabei ist dann zu berücksichtigen, dass Kupfer-Ionen in einem Konzentrationsbereich von ca. 1.5 bis ca. 2.5 mg/L an das zu behandelnde Wasser abgegeben werden. Durch die Anwendung der Vorrichtung kann auf chemische Härtestabilisatoren verzichtet werden. Dabei sind Kupfer-Ionen in der Lage carbonatische Härteausscheidungen zu verhindern, während Wasseraufbereitungsvorrichtungen auf der Basis von Zink-Ionen eine zusätzliche CaCO₃-Kristallisation hervorrufen, die zu weiteren Ablagerungen führen kann.
• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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• Zitierte Patentliteratur
• - EP 0680457 B1 [0002]
• - EP 20000102554 A2 [0002]
• - DE 102004056066 A1 [0002]

Claims (1)

1. Bei der Vorrichtung handelt es sich um eine als Rohrreaktor ausgeführte Elektrolysezelle bei der – als Stromquelle eine temporäre Gleichspannungsquelle (3) eingesetzt wird, – die Kathode (1) aus VA-Edelstahl gefertigt ist, – die Anode (2) aus reinem Kupfer gefertigt ist, – Nach der Elektrolyse eine Kupfer-Ionen selektive Elektrode (4) angebracht ist.