DE202018104813U1

DE202018104813U1 - Elektrolysezelle

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Publication number: DE202018104813U1
Application number: DE202018104813.9U
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2018-05-18
Filing date: 2018-05-18
Publication date: 2018-09-17
Anticipated expiration: 2028-05-19

Abstract

Elektrolysezelle umfassend mindestens zwei Elektroden, wobei mindestens eine erste Elektrode eine Anode ist und mindestens eine weitere Elektrode eine Kathode ist, sowie eine Membrane, wobei mindestens eine der beiden Elektroden mittels eines Abstandshalters von der Membrane beabstandet ist, und die Membrane mit der mindestens einen Kathode einen Kathodenraum und mit der mindestens einen Anode einen Anodenraum ausbildet, und der Abstandshalter winkelförmige Strömungsleitelemente zur Erzeugung einer turbulenten Strömung sowohl in Elektrodennähe als auch in Membrannähe aufweist, und die winkelförmigen Strömungsleitelemente auf im Wesentlichen parallel zueinander angeordneten Strömungsleitelementen angeordnet sind, sodass beim Durchleiten einer wässrigen Lösung mittels der parallelen und/oder der winkelförmigen Strömungsleitelemente zwischen den mindestens zwei Elektroden und der Membrane bei einer angelegten Spannung zwischen den mindestens zwei Elektroden, eine Konzentration positivgeladener Ionen von mehr als 10 × 10pro ml in der Lösung im Kathodenraum und/oder einer Konzentration negativgeladener Ionen von mehr als 10 × 10pro ml in der Lösung im Anodenraum erzeugbar ist.

Description

Die vorliegende Gebrauchsmusteranmeldung beansprucht den Anmeldetag der DE 10 2018 112 132.6 .
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Elektrolysezelle nach Anspruch 1, sowie ein Verfahren zur Elektrolyse einer wässrigen Lösung mittels einer Elektrolysezelle nach einem der Ansprüche 1 bis 7.
Aus dem Stand der Technik sind verschiedenste Elektrolysezellen für die klassische Prozesschemie in einer hinreichend breiten Vielfalt und hohen Vielzahl zur Herstellung von beispielsweise Chlorgas seit langem bekannt.
Die Elektrolyse von Natriumchloridlösungen zur Gewinnung von Chlorgas mit der eine sogenannte Elektroaktivierung von Wasser kurzzeitig einhergeht, wird im großem Maßstab praktiziert, da Chlor ein sehr reaktionsfreudiges Element ist und sich seine Radikale unmittelbar bei der Elektrolyse sofort ausbilden und damit keine besonderen Anforderungen an Elektrolysezellen gestellt werden. Darüber hinaus macht dies Chlor zu einem sehr günstigen Desinfektionsmittel. Seine toxische Wirkung beruht ebenfalls auf der Reaktionsfreudigkeit der Cl -Ionen und die geringe letale Dosis für jeglichen biologischen Organismus und seine organschädigende Wirkung wird gerne ausser Acht gelassen. Nichtsdestotrotz setzen sich allmählich strengere Grenzwerte für die Chlorbeimischung im Trinkwasser durch.
Die desinfizierende bzw. oxidierende Wirkung basiert darauf, dass Chlor ein sehr reaktionsfreudiges Radikal ist und bereits unter Normalbedingungen schnell und zuverlässig eine Entkeimung und Umsetzung toxischer Stoffe, beispielsweise von Trinkwasser, in Schwimmbädern oder bei der Chlorung von Lebensmitteln durch Oxidation bewirkt.
Dieselbe oxidative Wirkung von Chlor weisen jedoch auch sämtliche bekannten Radikale im Allgemeinen auf.
Indes sind im Speziellen Elektrolysezellen zur Herstellung chlorarmer elektroaktivierter Lösungen, insbesondere von Desinfektionslösungen, kaum bekannt. Hierfür wurden bislang Ansätze mit modifizierten, größtenteils einfach kleinskalierte Elektrolysezellen aus der klassischen Prozesschemie verfolgt. Die Herleitung oder Ermittlung stabiler Prozessparameter werden zumeist empirisch ermittelt und befinden sich zumeist im oberen Leistungsgrenzbereich, da in der Regel eine Skalierung der Prozessparameter mit einer Skalierung von Prozesschemieanlagen nicht einhergehen kann. Die Desinfektionswirkung derart hergestellter Lösungen basiert nach wie vor auf der Wirkung von Chlorionen, da diese den größten Anteil an Ionen in solchen Lösungen ausmachen wie sich anhand von Probenanalyse einfach ermitteln lässt.
Darüber hinaus sind die dafür bislang verwendeten Elektrolysezellen im Speziellen für die Herstellung von Elektrolyten und Gasen ausgelegt. Die Erzeugung elektroaktivierter Ionen, sogenannten Clusterionen, ist hierbei vielmehr ein unerwünschter Nebeneffekt. Entsprechend ist die Konzentration dieser Clusterionen gering. Auch ist ihre Rekombinationsrate sehr hoch und infolgedessen die Rekombinationszeit solcher Clusterionen sehr kurz und damit die Konzentration solchen Clusterionen in der Lösung äußerst gering. Eine desinfizierende Wirkung kann damit derzeit nicht erzielt werden.
Alternative Ansätze zur Desinfektion werden in Zukunft erforderlich sein.
Es ist Aufgabe der Erfindung die Nachteile des Stands der Technik zu überkommen und eine in der Herstellung einfache und kostengünstige Elektrolysezelle sowie ein Verfahren geeignet zur Herstellung von Desinfektionslösungen mit stark reduziertem Chlorgehalt zur Verfügung zu stellen. Ferner gilt es zudem eine einfache Handhabung und einen möglichst langanhaltenden und nahezu verschleißfreien Betrieb zu gewährleisten.
Erfindungsgemäss wird die Aufgaben mittels einer Elektrolysezelle gelöst, welche mindestens zwei Elektroden sowie eine Membrane und einen Abstandshalter umfasst. Typischerweise ist mindestens eine erste Elektrode eine Anode und mindestens eine weitere Elektrode ist eine Kathode.
Ausführungsformen einer Elektrolysezelle umfassen, vorzugsweise einstückig, ausgebildete Flächenelektroden als Elektroden. Auch mehrstückig, vorzugsweise als mehrere Einzelstäbe, ausgebildete Elektroden sind im Sinne der Erfindung verwendbar.
Im Sinne der Erfindung ist mindestens eine der beiden Elektroden mittels eines Abstandshalters von der Membrane beabstandet. Die Membrane bildet mit der mindestens einen Kathode einen Kathodenraum und mit der mindestens einen Anode einen Anodenraum aus. Der Abstandshalter weist winkelförmige Strömungsleitelemente zur Erzeugung einer turbulenten Strömung sowohl in Elektrodennähe als auch in Membrannähe auf, und die winkelförmigen Strömungsleitelemente sind auf den im Wesentlichen parallel zueinander angeordneten Strömungsleitelementen angeordnet, sodass beim Durchleiten einer wässrigen Lösung mittels der parallelen und/oder der winkelförmigen Strömungsleitelemente zwischen den mindestens zwei Elektroden und der Membrane bei einer angelegten Spannung zwischen den mindestens zwei Elektroden, eine Konzentration positivgeladener Ionen von mehr als 10 × 10⁶ pro ml in der Lösung im Kathodenraum und/oder eine Konzentration negativgeladener Ionen von mehr als 10 × 10⁶ pro ml in der Lösung im Anodenraum erzeugbar ist.
Die resultierende wässrige Lösung im Anodenraum ist auch als „Anolyte“ und die resultierende wässrige Lösung im Kathodenraum als „Catholyte“ bekannt.
Im Kontext der vorliegenden Erfindung bezeichnet der Ausdruck „im Wesentlichen parallel zueinander“ eine beanstandete Ausrichtung zweier Elemente mit einer fertigungsbedingten zueinander verlaufenden Winkelabweichung von weniger als 3°, vorzugsweise weniger als 2,5°, noch bevorzugter weniger als 2° oder weniger als 1,5° und am bevorzugtesten von weniger als 1 ° bis weniger als 0,5°.
Bei Ausführungsformen einer Elektrolysezelle weist der Abstandshalter winkelförmige Strömungsleitelemente zur Erzeugung einer turbulenten Strömung in Elektrodennähe und in Membrannähe auf. Dies hat eine besonders gute Durchmischung der sich durch die zwischen den beiden Elektroden angelegten Spannung in Ionen aufspaltenden Moleküle der wässrigen Lösung zur Folge, weshalb sich eine hohe lonenkonzentration in der wässrigen Lösung ausbilden kann. Versuche haben dabei eine lonenkonzentration an negativgeladener oder positivgeladener Ionen von mehr als 10 × 10⁶ pro ml ergeben.
Der Nachweis der Konzentration an positivgeladener Ionen, welche in der wässrigen Lösung im Kathodenraum entsteht, erfolgte mittels Plasmaspektrometriemessungen unter Verwendung eines Plasmaspektrometers vom Typ Agilent ICP-OES 5110.
Der Nachweis der Konzentration an negativgeladener Ionen, welche in der wässrigen Lösung im Anodenraum entsteht, erfolgte mittels lonenchromatographiemessungen unter Verwendung eines lonenchromatographen vom Typ Metrum 881 Compact IC pro.
Bei Ausführungsformen einer Elektrolysezelle umfasst der Abstandshalter mindestens 6, vorzugsweise 12 oder besonders bevorzugt auch 24, Strömungsleitelement, und mindestens 3, vorzugsweise 6 oder besonders bevorzugt auch 12, dieser Strömungsleitelemente sind winkelförmig. Als besonders geeignet hat sich ein Verhältnis von 7 Strömungsleitelementen zu 6 winkelförmigen Strömungsleitelementen oder allgemein auch von n+1 Strömungsleitelementen zu n winkelförmigen Strömungsleitelementen mit n ∈ ℕ erwiesen.
Bei bevorzugten Ausführungsformen einer Elektrolysezelle bilden die winkelförmigen Strömungsleitelemente jeweils einen spitzen Winkel zwischen ihren Schenkeln aus und sind mit der Winkelspitze entgegen der Strömungsrichtung angeordnet.
Bei bevorzugten Ausführungsformen einer Elektrolysezelle liegt der spitze Winkel in einem Bereich von 45° bis 90°, vorzugsweise in einem Bereich von 55° bis 90° oder in einem Bereich von 65° bis 90°, und besonders bevorzugt in einem Bereich von 55° bis 85° oder in einem Bereich von 65° bis 85°, und im Speziellen in einem Bereich von 70° bis 87°.
Bei bevorzugten Ausführungsformen einer Elektrolysezelle weist die turbulente Strömung eine Reynoldszahl von R > 4000, oder von R > 5000, bevorzugt von R > 6000, besonders bevorzugt von R > 7000 und im Speziellen von R > 10000 oder von R > 11000, auf.
Bei bevorzugten Ausführungsformen einer Elektrolysezelle weist die Lösung im Anodenraum und/oder die Lösung im Kathodenraum nach erfolgter Elektrolyse einen um einen Faktor 0,8 geringeren Anteil an Chlorat auf, als durch den Grenzwert nach der Verordnung des Eidgenössisches Departement des Innern der Schweizerischen Eidgenossenschaft über Trinkwasser sowie Wasser in öffentlich zugänglichen Bädern und Duschanlagen vom 16. Dezember 2016 gestützt auf die Artikel 10 Absatz 4, 14 Absatz 1, 22, 24, 26 Absatz 3, 27 Absatz 4, 36 Absätze 3 und 4 und 72 der Lebensmittel- und Gebrauchsgegenständeverordnung vom 16. Dezember 2016 - Kurz : „TBDV vom 16. Dezember 2016“ für Chlorat vorgeschrieben, und/oder einen um einen Faktor von 2 geringeren Anteil an organischen Kohlenstoff auf, als durch den Grenzwert nach der TBDV vom 16. Dezember 2016 für organischen Kohlenstoff vorgeschrieben, und/oder einen um einen Faktor 10 geringeren Anteil an Trihalomethanen auf, als durch den Grenzwert nach TBDV vom 16. Dezember 2016 für Trihalomethane vorgeschrieben.
Bei bevorzugten Ausführungsformen einer Elektrolysezelle wird für die Elektrolyse als wässrige Lösung eine Ausgangslösung mit mindestens einem Salz verwendet, wobei das Salz aus der Gruppe ausgewählt ist, die organische, anorganische, Steinsalze oder Doppelsalze, saure Salze oder basische Salze, vorzugsweise Kaliumchlorid (KCl), Natriumchlorid (NaCl), Kaliumsulfat (K₂SO₄) oder Natriumsulfat (Na₂SO₄) umfasst.
Sind nahezu bis vollständig chlorfreie elektroaktivierte Lösungen gewünscht, so kann auf chlorhaltige Salze in der Ausgangslösung schlichtweg verzichtet werden, was sich lediglich in den Kosten für die Ausgangslösung auswirkt, jedoch keine Verringerung der Desinfektionswirkung nach sich zieht.
Die Kombination aus ausgewählter ionenhaltiger Ausgangslösungen, geeignetem elektrischen Redoxpotential zwischen Anode und Kathode und die Redoxzeit bestimmende turbulente Strömung und Durchflussgeschwindigkeit, welche bestimmt, wie lange sich letztlich ein Ion in Membrannähe und in Elektrodennähe aufhalten kann, bestimmt letztlich die Ausbildung und Konzentration elektroaktivierter Ionen wie OH^-, O₂ ^-, O₂ ^2-, HO₂ ^-. Die kontrollierte Verweildauer und die gezielte homogene Vermisch der Ionen in der wässrigen Lösung durch die turbulenten Strömungen führt bei den Chlorionen zu einer raschen Rekombination in der Lösung, wohingegen die weitaus reaktionsträgeren Ionen sogenannten Clusterionen ausbilden.
Solche Clusterionen haben aufgrund ihrer Reaktionsträgheit wesentlich höheren Rekombinationszeiten und verfügen damit über Halbwertszeiten von etlichen Stunden. Nichtdestotrotz verfügen solche negativgeladenen Ionen in Ihrer Eigenschaft als elektroaktivierte Clusterionen über eine hohe Desinfektionswirkung. Als besonders gut geeignet haben sich elektroaktivierte Lösungen mit einer lonenkonzentration an negativgeladener Ionen von mehr als 10 × 10⁶ pro ml erwiesen. Aber eine die Anwendung eine Lösung mit einer lonenkonzentration positivgeladener Ionen von mehr als 10 × 10⁶ pro ml hat Erfolge gezeigt.
Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Elektrolyse einer wässrigen Lösung wird eine vorgefertigte und homogen gemischte, schwache Elektrolyt-Lösung in wässriger Form mittels einer Solepumpe aus einem Sole-Behälter angesaugt und über eine Durchflusserfassungseinheit konstant in den mittels einer Membrane in Anodenraum und Kathodenraum aufgeteilten Reaktorraum einer Elektrolysezelle mengenproportional zugeführt. Mittels einer modulierenden Gleichspannung und einem konstanten Strom fließt die Solelösung dank dem Abstandshalter über die gesamte Fläche der Elektroden gleichmäßig verteilt, turbulent, molekular getrennt, und durchläuft den Prozess der Kammerzellenelektrolyse. Diese elektrochemischen Vorgänge bewirken beispielsweise bei NaCl in der Ausgangslösung, dass aus dem Anodenstrom eine aktivierte, saure wässrige Desinfektionslösung mit einem pH-Wert von ca. 1,5 bis 1,8 und einer Redoxspannung von +1180 mV und aus dem Kathodenstrom eine aktivierte, basische wässrige Desinfektionslösung mit einem pH Wert von 13 bei einer Redoxspannung von -800 bis -900 mV austritt. Die Anspeisung des Reaktors erfolgt über eine Durchflusskontrolleinrichtung, vorzugsweise mit einer Schwebekörperanzeige, wobei der Durchfluss über ein einstellbares Spindelventil reguliert werden kann.
Bei erfindungsgemäßen Verfahren zur Elektrolyse einer wässrigen Lösung können auch pH-neutrale Desinfektionslösungen mit einem pH-Wert von 7,5 bis 8,2 bei einer Redoxspannung von +750 bis +800 mV hergestellt werden.
Bei erfindungsgemäßen Verfahren zur Elektrolyse einer wässrigen Lösung wird mittels einer bevorzugten Ausführungsform einer Elektrolysezelle im Anodenraum eine Lösung mit einem pH-Wert in einem Bereich von 1 bis 2 umfassend 85 bis 90 Gewichts-% Cl₂ und 5 bis 10 Gewichts-% HClO; oder ein Lösung mit einem pH-Wert in einem Bereich von pH 2 bis 4 umfassend 50 Gewichts-% Cl₂ und 50 Gewichts-% HClO; oder ein Lösung mit einem pH-Wert in einem Bereich von 4 bis 6,5 umfassend bis zu 3 Gewichts-% Cl₂, bis zu 90 Gewichts-% HClO und bis zu 7 Gewichts-% Cl₂O; oder ein Lösung mit einem pH-Wert in einem Bereich von pH 6 bis 8 umfassend 60 Gewichts-% HClO und 35 Gewichts-% Cl₂O; oder eine Lösung mit einem pH-Wert in einem Bereich von 8,1 bis 8.5 umfassend mehr als 90 Gewichts-% Cl₂O, erzeugt wird.
Derartig hergestellte Lösung (Anolyte) haben im Gegensatz zu bekannten Lösungen sowohl eine hohe Konzentration an Ionen mit einer langen Halbwertszeit von mehreren Stunden als auch eine geringe Konzentration an freien Chlorionen, da selbst bei Verwendung von chlorhaltigen Salzen der überwiegende Anteil an Chlor in der elektroaktivierten Lösung wieder in Form von gebundenem Chlor vorliegt. Erfindungsgemäss hergestellte elektroaktivierte Lösungen eignen sich daher besonders gut als, vorzugsweise hautfreundliche, chlorionenarme Desinfektionslösungen.
Derartig hergestellte Lösungen können im Anschluss auch entweder direkt aus den an die Elektrolysezelle angeschlossenen Auffangbehältern entnommen und z.B. unmittelbar zur Wunddesinfektion appliziert werden, oder über eine Dosierpumpe in Trinkwasserversorgungsleitungen, Prozesswassersysteme, Schwimmbäder und so weiter mengenproportional oder aktivitätsgradabhängig gesteuert zu dosiert werden.
Bei Versuchen hat sich zudem ergeben, dass die Geometrie und/oder und die Anordnung der winkelförmigen Strömungsführungselemente besonders vorteilhaft zur Vermeidung der Bildung von Chloraten auswirkt. Insbesondere das Erzeugen turbulenter Strömungen nahe der Membrane unterbindet den Bildungsprozess von Chloraten. Es konnten dabei in den erzeugten Lösungen Chlorkonzentration weit unterhalb der gemäss TBDV 16. Dezember 2016 vorgeschrieben Grenzwert festgestellt werden. Im Sinne der Erfindung lassen sich auf diese Weise elektroaktivierte Desinfektionslösungen mit äußerst geringen Konzentrationen an freien Chlorionen von 284 mg/l, an Chlorat ClO₃ von 5.62 mg/l und Perchlorat ClO₄ geringer als <0.005 mg/l erzeugen.

Bei Versuchen mit bevorzugten Ausführungsformen einer Elektrolysezelle wurden die jeweils im Anodenraum erzeugten Lösungen (Anolyte) auf ihre Zusammensetzung hin untersucht. Für einen Vergleich wurde eine Elektrolysezelle aus dem Stand der Technik ohne den erfindungsgemässen Aufbau mit identischer Zusammensetzung der Ausgangslösung betrieben. Im Anschluss konnten folgende Messergebnisse ermittelt werden:

		Elektrolysezelle aus dem Stand der Technik		Erfindungsgemässe Elektrolysezelle
				Abstandshalter A	Abstandshalter B
Parameter	Grenzwert	Resultat Probe 1	Resultat Probe 2	Resultat Probe 3	Resultat Probe 4	Messmethode
pH-Wert (25 °C)		7.3	7.6	8.1	8.2	EN ISO 10523
Redoxpotential		831 mV	805 mV	781 mV	760 mV	Nicht akkreditiert
Freies Chlor		325 mg/l	190 mg/l	390 mg/l	284 mg/l	EN ISO 7393-2
Chlorat ClO₃		7.96 mg/l	21.8 mg/l	6.00 mg/l	5.62 mg/l	EN ISO 10304
Perchlorat ClO₄		<0.005 mg/l	0.157 mg/l	<0.005 mg/l	<0.005 mg/l	AP0 SAV 585
Totaler organischer Kohlenstoff (TOC)		1.7 mg/l	0.8 mg/l	1.0 mg/l	0.6 mg/l	EN 1484
Trihalomethane	0.05 mg/l	0.56 mg/l	0.11 mg/l	0.10 mg/l	0.04 mg/l	HS-ITEX-GC/MS
Chlorat / freies Chlor	5.4 Gew-%	2.4 Gew-%	11.5 Gew-%	1.54 Gew-%	1.98 Gew-%	berechnet
Perchlorat / 1.2 mg/l freies Chlor	0.005 mg/l	<0.00005 mg/l	<0.00069 mg/l	<0.00005 mg/l	<0.00005 mg/l	berechnet

Weitere Vorteile und Eigenschaften der Erfindung ergeben sich aus den nachfolgenden Figuren, nämlich:

1 zeigt eine Ansicht einer schematisch dargestellten erfindungsgemäßen Elektrolysezelle im Querschnitt;
2 zeigt eine Ansicht eines schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels einer Abstandshalteranordnung mit skizzierten Strömungsverläufen im Längsschnitt;
3a zeigt eine Ansicht eines schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Abstandshalters samt einer Ansicht im Längs- und Querschnitt;
3b zeigt eine Ansicht einer beispielhaften Anordnung von Abstandshalter und Membrane im Längsschnitt;
3c zeigt eine Ansicht einer beispielhaften Sandwichanordnung zweier Abstandshalter und einer Membrane im Längsschnitt;
3d zeigt eine Ansicht der Anordnung aus 3b im Querschnitt;
3e zeigt eine Ansicht der Anordnung aus 3c im Querschnitt;
4 zeigt eine Draufsicht eines Ausführungsbeispiels eines Abstandshalters;
5 zeigt Ausführungsbeispiele (a) bis (e) vorteilhafter Ausgestaltungen von Schenkeln.
6 zeigt eine Ausführungsform einer Elektrolysezelle in beispielhafter Sandwicheanordnung im Stufenschnittmodell durch die einzelnen Schichten des Sandwicheaufbaus.

Figurenbeschreibung
Eine Ausführungsform einer Elektrolysezelle 22 ist im oberen Teil der 1 als Explosionszeichnung mitsamt seinen Einzelteilen sowie im unteren Teil der 1 in zusammengebauter Form dargestellt. Der obere Zellenkörper 18 und der untere Zellenkörper 19 umfassen den sandwichartigen Aufbau aus einer in dieser Ausführungsform als Flächenelektrode ausgebildeten Kathode 4, einem ersten Abstandshalter 9, einer Membrane 7, einem zweiten Abstandshalter 9, einer in dieser Ausführungsform ebenfalls als Flächenelektrode ausgebildeten Anode 11 und bilden zusammen mit dem Abdichtungsmittel 15 und den beiden Durchflussstutzen 20 sowie einem elektrischen Anodenanschluss 16 und einem elektrischen Kathodenanschluss 17 die von in dieser Ausführungsform als Schrauben mit Muttern und ggfs. Unterlag- und Klemmscheiben ausgeführten Befestigungsmitteln 14 die Elektrolysezelle 22. Die beiden Durchflussstutzen 20 dienen je nach Durchflussrichtung der Elektrolysezelle 22 als Zufluss der Ausgangslösung und als Abfluss der wässrigen Lösung. Es verfügen jeweils der obere Zellenkörper 18 als auch der untere Zellenkörper 19 über jeweils zwei Durchflussstutzen 20, sodass sowohl der nicht eingezeichnete Kathodenraum als auch der nicht eingezeichnete Anodenraum über getrennte Zuflüsse und Abflüsse verfügt und damit sogar gleichzeitig eine Herstellung von „Anolyte“ als auch „Catholyte“ möglich ist.
Typische Materialien für die Zellenkörper 18, 19 sind chlorresistente, Kunststoffe, wie BOM oder Fluorkunststoffe wie PVDF oder PTFE, aber auch PVC.
Typische Materialien für die Membrane 7 sind alle bekannten ionenpermeable Materialien, wobei sich auch poröse Keramiken eignen.
Typische Materialien für einen Abstandshalter 9 sind chlorresistente, Kunststoffe, wie BOM oder Fluorkunststoffe wie PVDF oder PTFE, aber auch PVC.
2 zeigt eine Ansicht eines schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels einer sandwichartigen Anordnung einer Kathode 4, eines Abstandshalters 9, einer Membrane 7, einem weiteren Abstandshalter 9 und einer Anode 11 mit skizzierten Strömungsverläufen im Längsschnitt. Die beiden Abstandshalter 9 verfügen über im Wesentlichen parallel zueinander angeordneten Strömungsleitelement den 40 und im Querschnitt ersichtlich dargestellten winkelförmige Strömungsleitelementen 30. Die winkelförmige Stimmungslage Elemente 30 bewirken zusammen mit den parallel zueinander korrigiert das im Wesentlichen parallel zueinander ausgerichtete Strömungsleitelementen 30 die eingezeichnete turbulente Strömung entlang der eingezeichneten Durchflussrichtung in den ausgebildeten Durchflusskanälen, welche letztlich durch den Abstandshalter 9 zwischen Kathode 4 und Membrane 7 den durchfließbaren Kathodenraum und durch den Abstandshalter 9 zwischen Membrane 7 und Anode 11 den durchfließbaren Anodenraum ausbilden. Beim Durchfließen des Kathodenraums bzw. des Anodenraums bildet sich aus der anfänglich durch die nicht eingezeichneten Durchflussstutzen 20 eingeleiteten Ausgangslösung bei einem zwischen der Kathode 4 und der Anode 11 angelegten elektrischen Potenzial durch Elektrolyse entsprechend „Anolyte bzw. „Catholyte“ mit einer entsprechend hohen Konzentration an negativgeladener bzw. positivgeladener Ionen von mehr als jeweils 10 × 10⁶ pro ml.
3a zeigt eine Ansicht eines schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Abstandshalters samt zugehöriger Ansichten im Längs- und Querschnitt. Der Abstandshalter 9 wird dabei gebildet aus im Wesentlichen parallel zueinander beabstandeten Strömungsleitelementen 40 auf welchen winkelförmige Strömungsleitelemente 40 zur Erzeugung einer turbulenten Strömung periodisch mit einer nicht eingezeichneten Periode 34 angeordnet sind. Eine nicht periodische Anordnung winkelförmige Strömungsleitelementen 30 kann mit einer entsprechend einhergehenden vorteilhaften Anordnung von im Wesentlich parallel zueinander beanstandeten Strömungsleitelemente 40 ebenfalls im Rahmen der Erfindung möglich sein. Aus der Draufsicht der 3a ergibt sich zudem die Zusammensetzung des winkelförmige Strömungsleitelement 30 aus den beiden in einem Winkel zueinanderstehenden Schenkel 31.
3b zeigt eine Längsschnittansicht einer Ausführungsform eines Abstandshalter 9 mit periodisch angeordneten winkelförmige Strömungsleitelementen 30 auf im Wesentlichen parallel zueinander beanstandeten Strömungsleitelementen 40, angeordnet auf einer Membrane 7.
3c zeigt eine Ansicht einer beispielhaften Sandwicheanordnung zweier Abstandshalter 9 analog zu der dargestellten Anordnung in 3b, ebenfalls im Längsschnitt.
3d zeigt eine Ansicht der Anordnung aus 3b im Querschnitt.
3e zeigt eine Ansicht der Anordnung aus 3c im Querschnitt.
4 zeigt eine Draufsicht eines Ausführungsbeispiels eines Abstandshalters 9, bei welchem die 4 winkelförmige Strömungsleitelemente 30 auf 14 im Wesentlichen parallel zueinander beanstandeten Strömungsleitelementen 40 angeordnet sind. Zur Erzeugung eines besonderes geeigneten Strömungsprofils zur Erzeugung einer turbulenten Strömung weisen die entgegen der Durchflussrichtung ausgerichteten beiden obersten winkelförmige Strömungsleitelementen A und B unterschiedliche Winkel α und β auf. Ebenso ist die Periode 34 eine variable Größe, mit welcher eine turbulente Strömung verstärkt werden kann. Bei bevorzugten Ausführungsformen geht die Schenkellänge 32 eines Schenkels 31 eines winkelförmige Strömungsleitelementen 30 mit dem Winkel α, β derart einher, dass das sich die Schenkel 32 spiegelsymmetrisch über die gesamte im Wesentlichen parallel zueinander angeordnete Aneinanderreihung von Strömungsleitelementen 40 erstreckt. Im Sinne der Erfindung ist auch eine Verkürzung der Schenkellänge 32 zur Erzeugung eines besonders geeigneten turbulenten Strömungsprofils möglich und sollen im Rahmen der Erfindung nicht ausgeschlossen sein.
5 zeigt Ausführungsbeispiele (a) bis (e) vorteilhafter Ausgestaltungen von verschiedener Schenkel Geometrie in von Schenkeln 31. Die einfachste Ausführungsform eines Schenkels 31 stellt (a) als Balken mit der Breite 41 dar. Die Teilfiguren (b) und (c) stellen jeweils ein Schenkelelement 31 mit unterschiedlich starker Krümmung jeweils mit einem Radius R da. Die Teilfiguren (d) und (e) stellen jeweils einen in zwei Schenkelteilelemente 35, 36 untergliederten Schenkel 31 dar. Beide Schenkelteilelemente 35, 36 können je nach gewünschtem resultierenden turbulenten Strömungsprofil unterschiedliche Teillängen zur Ausbildung der Schenkellänge 32 aufweisen und darüber hinaus zueinander in einem beliebig festgelegt waren Drehpunkt um einen Winkel γ zueinander winkelverkippt sein.
6 zeigt eine Ausführungsform einer Elektrolysezelle 22 in beispielhafter Sandwicheanordnung im Stufenschnittmodell durch die einzelnen Schichten des Sandwicheaufbaus. Die Zuführung der Ausgangslösung erfolgt bei dieser Ausführungsform gleichmäßig verteilt durch drei Eingänge und die Abfuhr von „Anolyte“ bzw. „Catholyte“ durch jeweils einen Ausgang.
Bezugszeichenliste

1: Obere Abdeckplatte
2: Isolierplatte
3: Isoliergummi
4: Kathode
5: Isoliergummi
6: Abstandshalter
7: Membrane
8: Isoliergummi
9: Abstandshalter
10: Isoliergummi
11: Anode
12: Isolierplatte
13: Untere Abdeckplatte
14: Befestigungsmittel
15: Abdichtungsmittel
16: Elektrischer Anodenanschluss
17: Elektrischer Kathodenanschluss
18: Oberer Zellenkörper
19: Unterer Zellenkörper
20: Durchflussstutzen
21: Ausnehmung
22: Elektrolysezelle
30: Winkelförmiges Strömungsleitelement
31: Schenkel
32: Schenkellänge
33: Schenkelbreite
34: Periode
35: Schenkelteilelement
36: Schenkelteilelement
40: Strömungsleitelement
41: Breite
A: Winkelförmiges Strömungsleitelement
B: Winkelförmiges Strömungsleitelement
α: Winkel
β: Winkel
γ: Winkel
R: Radius

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102018112132 [0001]

Claims

Elektrolysezelle umfassend mindestens zwei Elektroden, wobei mindestens eine erste Elektrode eine Anode ist und mindestens eine weitere Elektrode eine Kathode ist, sowie eine Membrane, wobei mindestens eine der beiden Elektroden mittels eines Abstandshalters von der Membrane beabstandet ist, und die Membrane mit der mindestens einen Kathode einen Kathodenraum und mit der mindestens einen Anode einen Anodenraum ausbildet, und der Abstandshalter winkelförmige Strömungsleitelemente zur Erzeugung einer turbulenten Strömung sowohl in Elektrodennähe als auch in Membrannähe aufweist, und die winkelförmigen Strömungsleitelemente auf im Wesentlichen parallel zueinander angeordneten Strömungsleitelementen angeordnet sind, sodass beim Durchleiten einer wässrigen Lösung mittels der parallelen und/oder der winkelförmigen Strömungsleitelemente zwischen den mindestens zwei Elektroden und der Membrane bei einer angelegten Spannung zwischen den mindestens zwei Elektroden, eine Konzentration positivgeladener Ionen von mehr als 10 × 10⁶ pro ml in der Lösung im Kathodenraum und/oder einer Konzentration negativgeladener Ionen von mehr als 10 × 10⁶ pro ml in der Lösung im Anodenraum erzeugbar ist.
Elektrolysezelle nach Anspruch 1, wobei der Abstandshalter mindestens sechs Strömungsleitelement umfasst, und mindestens drei dieser Strömungsleitelemente winkelförmig sind.
Elektrolysezelle nach Anspruch 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass die winkelförmigen Strömungsleitelemente jeweils einen spitzen Winkel zwischen ihren Schenkeln ausbilden und mit der Winkelspitze entgegen der Strömungsrichtung angeordnet sind.
Elektrolysezelle nach Anspruch 3, wobei der spitze Winkel in einem Bereich von 45° bis 90°, vorzugsweise in einem Bereich von 55° bis 90° oder in einem Bereich von 65° bis 90°, und besonders bevorzugt in einem Bereich von 55° bis 85° oder in einem Bereich von 65° bis 85°, und im Speziellen in einem Bereich von 70° bis 87° liegt.
Elektrolysezelle nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die turbulente Strömung eine Reynoldszahl von R > 4000, oder von R > 5000, bevorzugt von R > 6000, besonders bevorzugt von R > 7000 und im Speziellen von R > 10000 oder von R > 11000, aufweist.
Elektrolysezelle nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Lösung im Anodenraum und/oder die Lösung im Kathodenraum nach erfolgter Elektrolyse einen um einen Faktor 0,8 geringeren Anteil an Chlorat aufweist, als durch den Grenzwert nach TBDV vom 16. Dezember 2016 für Chlorat vorgeschrieben, und/oder einen um einen Faktor von 2 geringeren Anteil an organischen Kohlenstoff aufweist, als durch den Grenzwert nach TBDV vom 16. Dezember 2016 für organischen Kohlenstoff vorgeschrieben, und/oder einen um einen Faktor 10 geringeren Anteil an Trihalomethanen aufweist, als durch den Grenzwert nach TBDV vom 16. Dezember 2016 für Trihalomethanen vorgeschrieben.
Elektrolysezelle nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei für die Elektrolyse als wässrige Lösung eine Ausgangslösung mit mindestens einem Salz verwendet wird und das Salz aus der Gruppe ausgewählt ist, die organische, anorganische, Steinsalze oder Doppelsalze, saure Salze oder basische Salze, vorzugsweise Kaliumchlorid (KCl), Natriumchlorid (NaCl), Kaliumsulfat (K₂SO₄) oder Natriumsulfat (Na₂SO₄) umfasst.