DE2503670C2

DE2503670C2 - Verfahren zur Beschleunigung oder Unterbindung und Umkehr der natürlichen Bewegung von Flüssigkeiten in Feststoffen mit poröser und/oder semipermeabler Struktur und Elektroden zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE2503670C2
Application number: DE2503670A
Authority: DE
Inventors: Christa Schulte; Hans-Werner 8025 Unterhaching Tenge
Original assignee: Individual
Current assignee: Bergauer Josef 8051 Massenhausen De
Priority date: 1975-01-29
Filing date: 1975-01-29
Publication date: 1982-06-16
Also published as: DE2503670A1; DE2706172A1

Description

Versuch 1

Aus der DE-OS 21 25 535 ist bekannt, eine semiper-

meable Membran aus einem vollkommen inerten

Werkstoff, Polytetrafluoräthylen (PTFE), der außerdem

hervorragende dielektrische Eigenschaften besitzt, herzustellen. Mit solchen Membranen wurden in an sich bekannter Weise Osmose-Versuche unternommen und durch Messungen beobachtet (F i g. 1).

Für die vorliegende Schrift sind folgende Begriffe definiert: Als »Osmose« wird der Netto-FIuß einer Flüssigkeit, z. B. reinem Wasser, durch eine semi-permeable Membran unter dein Einfluß eines Konzentrationsgefälles bezeichnet

Als »Kapillar-Effekt« wird die Bewegung von Flüssigkeiten in porösen Feststoffen bezeichnet

Als »Elektro-Osmose« wird die Bewegung von Flüssigkeit, z. B. reinem Wasser, in einem Feststoff mit kapillarer bzw. semi-permeabler Struktur, unter Einfluß elektrischer Gleichfelder, bezeichnet

Als »Elektro-Phorese« wird die Bewegung von Ionen bzw. kolloiden Partikeln in einer Flüssigkeit, z. B. Wasser, unter Einfluß elektrischer Gleichfelder bezeichnet

Als »Elektro-Kinese« werden Vorgänge in und an Feststoffen mit semipermeabler oder kapillarer Struktur unter Einfluß elektrischer Gleichfelder bezeichnet wenn z. B. Elektro-Osmose und Elektro-Phorese gleichzeitig ablaufen.

■ Als »Galvano-Korrosion« werden Vorgänge der elektro-chemischen Zersetzung von Metallen unter Erzeugung elektrischer Energie bezeichnet

Als »Galvanischer Abbau« wird der elektrolytische Abbau von Metall unter Einfluß eines elektrischen Gleichstromes bezeichnet

AIa »Elektrolyse« wird die elektrolytische Zersetzung

z. B. von Flüssigkeiten (wie Wasser) unter Einfluß eines elektrischen Gleichstromes bei Spannungen oberhalb der elektrolytischen Zersetzungs-Grenzspannung (EZG), theoretisch U = 1,229 Volt, bezeichnet

Als »Umschlag-Effekt« wird das Phänomen bezeichnet, das sich die »normale« Bewegungsrichtung der Elektro-Osmose, Elektro-Phorese oder Elektro-Kinese infolge Polaritätswechsel des ZETA-Potentials umkehrt

Als »Eigenpotential« wird das an einem porösen Feststoff auftretende und von außen meßbare, elektrische P' lential definiert Es besteht in der Regel aus dem Strömungspotential und kann von verschiedenen anderen Potentialen, wie z. B. aus Fremdspannnngsquellen oder aus pH-Wert-Verschiebungen, überlagert sein. Als »chemische Korrosion« wird der Vorgang bezeichnet, daß chemisch aggressive Substanzen auf die Oberflächen (metallischer) Elektroden einwirken und sie zersetzen oder elektrisch passivieren.

Der Begriff der »passiven Elektro-Osmose«. wird

nachfolgend nur noch aus Gründen der Kennzeichnung aus älteren Patentschriften übernommen. Die betreffen den Verfahren werden im Hinblick auf ihre tatsächliche

Funktion naturgesetzlich korrekt als »Galvano-Κοιτο-

sions-Verfahren«definiert

Der Begriff der »aktiven Elektro-Osmose« wird

nachfolgend nur noch aus Gründen der Kennzeichnung aus älteren Patentschriften übernommen. Die betreffenden Verfahren werden im Hinblick auf ihre tatsächliche Funktion naturgesetzlich korrekt als »Elektrolyse-Verfahren« definiert

Ein Glasbehälter (1) wurde mit destilliertem Wasser (2) gefüllt Ein Trichter (3) mit Steigrohr (4) enthielt eine wäßrige Lösung (5). Beide Flüssigkeiten hatten natürliche, voneinander verschiedene, dielektrische Eigenschaften und waren durch eine semipermeable Membran der vorstehend beschriebenen Art voneinander getrennt. Meßelektroden, z. B. aus Platin (7), deren elektro-chemisches Eigenpotential kompensiert wurde, lagen auf beiden Seiten der semipermeablen Membran an und waren über Koax-Leitungen (8) an ein Kompensations-Elektrometer (9) angeschlossen, dessen Eingangswiderstand über Ä,= 10^MOhm lag. Am Verstärkerausgang des Elektrometers war ein Schreiber antrpsrhlnssen. mit dem die Meßergebnisse aufgezeichnet wurden.

Bevor der Versuch in Betrieb gesetzt wurde, d. h. solange der gefüllte Trichter (3) nicht in das Wasser (2) eingetaucht war, wurde an der Membran (6) eine Spannung von Null gemessen.

Unmittelbar nach Eintauchen des Trichters (3) in das Wasser (2) war eine Spannung meßbar, deren Höhe u. a. vom osmotischen Wasserdurchsatz abhing. Nach konventioneller Lehrmeinung hätte die Spannung, die Werte zwischen ca. 10 und ca. 300 mV annahm, um so größer sein müssen, je stärker der Wasserdurchsatz war. Der Versuch zeigte hingegen, daß die gemessene Spannung sich um so höher einstellte, je geringer der Durchsatz war. So waren einige Membrantypen besonders wirkungsvoll in osmotischer Hinsicht d. h. es wurde ein hoher Durchsatz beobachtet dabei stellte sich eine relativ niedrige Membranladung ein. Bei anderen Membrantypen wurden relativ schwache osmotische Leistungen beobachtet z. B. bei Membranen mit sehr engen Poren und relativ dicker Wandung, — die gemessene Membranladung war in diesen Fällen deutlich erhöht

Die Höhe der Membranpotentiale sowie ihre Polarität hing u. a. von den verwendeten Lösungen und ihren elektrischen Eigenschaften ab. Die Zusammenhänge können an den folgenden Versuchen 2 bis 7 erläutert werden, die mit Lösungen gleicher Wertigkeit durchgeführt wurden.

Versuch 2 (F ig. 2)

Der Versuch zeigt den ersten, allgemein bekannten Fall der Osmose. Ein Behälter (11) ist mit destilliertem Wasser (12) gefüllt Der Trichter (13) mit Steigrohr (14) enthält eine Salzlösung (15) und ist durch eine semipermeable Membran (16) abgeschlossen. Meßelektroden (17), abgeschirmte Meßkabel (18) und das Elektrometer (19) sind nur angedeutet Erwartungsgemäß wurde ein Wasserdurchsatz in Richtung Lösung bei »normaler« Potentiallage der Lösung beobachtet (12).

Versuch 3 (F ig. 3)

Der Versuch zeigt den zweiten, bekannten Fall der Osmose mit gleichem Aufbau wie Versuch Z Lediglich die Lösung ist ausgewechselt Sie besteht aus einer verdünnten Säure (20). Der Wasserdurchsatz wurde erwartungsgemäß in Richtung auf die Lösung (20) aus Säure und Wasser bei »normaler« Potentiallage beobachtet

Versuch 4 (F ig. 4) Der gleiche Versuchsaufbau wie bei Versuch 2 und 3,

jedoch wurde eine Lösung (21) von Traubenzucker, (CeHizOe), Qualität DAB₁ »Für Injektionen«, verwendet

Erwartungsgemäß wurde der Wasserdurchsatz in Richtung Lösung beobachtet Völlig unerwartet stellte

sich aber auch eine Membranladung ein, die wesentlich höher lag als in den Versuchen 2 und 3, während der sog.

ίο »Nettofluß«, das ist der meßbare Durchsatz von reiner

Flüssigkeit in Richtung Lösung, geringer war als in Versuch 2, aber höher lag als in Versuch 3. Versuch 5 (F ig. 5)

Die Anordnung aus Versuch 4 wurde zu einem bislang unbekannten Experiment benutzt. Das Meßinstrument (19) wurde kurzzeitig überbrückt d. h. die Meßsonden kurzgeschlossen (22). Dabei konnte ein starker Abfall der Membranladung beobachtet werden. Die Ladung baute sich jedoch anschließend, nach Aufhebung des Membran-Kurzschlusses, wieder in ihrer ursprünglichen Höhe auf. Wurde der Membrankurzschluß jedoch über längere Zeit aufrechterhalten, so erreichte die Membranladung den Wert Null, wobei anschließend überra- sehend beobachtet wurde, daß sich bei unveränderter Versuchsanordnung die Potentiallage an der Membran umkehrte.

Der Vorgang war wiederholt umkehrbar. Das beobachtete Phänomen ist mit bekannten Mechanismen nicht erklärbar, wie die folgenden Versuche, vor allem der Versuch 8, zeigen werden. Offenbar erfolgte bei dem Versuch eine Veränderung der elektrischen Verhältnisse an der semi-permeablen Membran, vergleichbar den Vorgängen eines Umschlag-Effektes bei der Elektro- Osmose.

Versuch 6 (F ig. 6)

Der Versuch zeigt wiederum die gleiche Versuchsanordnung, jedoch ist in diesem Fall das destillierte Wasser (12) oberhalb der Membran, d h. im »osmotischen Trichter«, während die Lösung (23) — aus einer Lauge und Wasser — sich im Behälter (U), d.h. unterhalb der semipermeablen Membran befindet Völlig überraschend wurde beobachtet, daß sich ein Nettofluß von Wasser aus der Lösung in Richtung Wasser (!) einstellte, während die Potentiallage erwartungsgemäß, d.h. entsprechend der Potentiallage Lösung gegen Wasser, und entgegengesetzt zu der aus Versuch 3 war, d.h. den pH-Werten entsprach. Der

so Versuch war nur relativ kurze Zeit funktionsfähig.

Versuch 7 (F ig. 7)

Dieser Versuch zeigt den an sich bekannten Sonderfall der Osmose, bei dem die Versuchsanordnung

SS aus Versuch 2 (mit Salzlösung) verwendet wurde. Zusätzlich wurde eine Gleichspannung (24) an die Meßsonden gelegt, weiche dem natürlichen Membranpotential aus Versuch 2 entgegenwirkte, und derart eingestellt daß die Membranladung a) vermindert wurde, b) kompensiert wurde, c) überkompensiert wurde.

Wie nach den Versuchen 5 und 6 nicht anders zu erwarten, stellte sich im Fall a) ein verminderter Nettofhiß in Richtung Lösung ein, war im Fall b) ein Durchsatz von Wasser praktisch nicht mehr zu beobachten, verlief im Fall c) der Wasserdurchsatz (Fig.7) umgekehrt Bei dem beobachteten NettofluB wurde ausschließlich Wasser transportiert, — es

handelte sich daher um den Vorgang der Elektro-Osmose.

Unerwartet war auch die Beobachtung, daß der Durchsatz von V/asser, d. h. der sogenannte Nettofluß durch die Membran, mit zunehmender Fremdspannting (zunächst erwartungsgemäß) abnahm, beim Kompensationspunkt Null wurde, danach sich umkehrte, bei Übe/kompensation in Richtung auf das dest. Wasser wieder einsetzte und mit steigender Überkompensation anwuchs, aber überraschend bei etwa 2- bis Sfacher Überkompensation sein Maximum erre'.i'ihte und bei etwa 10- bis 20facher Überkompensation offenbar infolge Elektrolyse und völlig unerwartet praktisch zum Erliegen kam. Diese Feststellung hat für das erfindungsgemäße Verfahren, d. h. die Anwendung elektro-kinetischer Verfahren in der Praxis eine dominierende Bedeutung. Sie widerlegt zahlreiche Veröffentlichungen und beweist, daß Elektro-Osmose bzw. Elektro-Kinese nur bis zur Grenzs der ElsktroWs? deu£rh?.f· funktionsfähig sind.

Versuch 8 (F ig. 8)

Der Versuch liefert einen Hinweis, daß die beobachteten Ergebnisse mit an sich bekannten Zusammenhängen elektro-physikalischer Phänomene allein nicht erklärt werden können, da diese die Existenz eines fließenden Mediums. z.B. in einer Kapillare, voraussetzt. F i g. 8 zeigt einen Ausschnitt aus einer der Versuchsanordnungen 2 bis 7. Das destl. Wasser (12) berührt von unten eine semipermeable Membran (16) aus PTFE, das bekanntlich von Wasser nicht benetzt werden kann und stark antiadhäsive Eigenschaften hat. Die Membran hatte eine Porosität von ca. 80% mit Poren-Durchmessern von ca. 10 A bis ca. 500 A (Typ I). Zunächst wurde festgestellt, daß die Membran für Wasser als Flüssigkeit vollkommen undurchlässig war. Der Wassereintrittsdruck lag sogar bei etlichen Metern Wassersäule.

Die semipermeable Membran wurde an ihrer wasser-abgewandten Seite sorgfältig getrocknet und Kristalle (25) vorsichtig auf die Membran gelegt. Der Versuch wurde mit verschiedenen Kristallarten, Salze wie auch Zucker, wiederholt. Überraschend setzte stets ein starker Durchsatz von Wasser ein, der die Kristalle durchnäßte, Wasserperlen an den Kristallen bildete und in ca. 1 Minute die ganze Membran überdeckte. Die weiteren Beobachtungen entsprachen den Versuchen 2 und 4.

Di«· Ergebnisse der vorstehenden Versuche zeieen, daß an semiprrmeablen Membranen offenbar natürliche Ladungen existieren, welche ursprünglich gleichnamig sind, die durch anliegende Feststoffe und Flüssigkeiten aber ungleichnamig werden können und den Durchsatz von sehr mobilen Wassermolekeln, d. h. von Wasser im nicht-flüssigen Zustand, erlauben bzw. bewirken.

Die vorstehenden Versuche wurden mit verschiedenen Folientypen durchgeführt:

Folien-Typ

Dicke

Dichte >·

Kintrittsdruck (Wasser)

Mittlerer
Poren-0

Porosität

ca. %

50 -A	0,46
120 μ	0,4
75 μ	0.42
75-25 μ	0,16
25 μ	0.09
20 m	0,0983

Es zeigte sich, daß die wirksame, sogenannte »osmoti- sche Energie«, die man sich als Resultierende aus der Membranladung und dem Nettofluß vorstellen kann, um so größer ist,

— je chemisch inerter die Membran ist.

— je dünner die Membran ist,

— je besser die dielektrische Eigenschaft der Membran ist,

— je günstiger der Porendurchmesser ist,

— je größer die Porosität der Membran ist,

— je mehr lösliche Substanz vorhanden ist,

— je günstiger eine angelegte, gleichnamige Fremdspannung ist

Die vorstehenden Versuche wurden auch mit anderen Membranen, z.B. aus Dyallisierfolie oder tierischen Häuten, durchgeführt Die Ergebnisse waren entsprechend, aber schwächer, schlecht reproduzierbar und funktionierten nur kurzzeitig wegen der geringen Beständigkeit der Membranen.

Neben den grundlegenden Versuchen wurden praxisnahme Experimente durchgeführt, die nachfolgend beschrieben und schematisch dargestellt sind.

1.55kp/cm²	ca.	150 A	80
1,55 kp/cm²	ca.	150 A	82
1,69 kp/cm²	ca.	125 A	81
l,27kp/cm²	ca.	185 A	90
0,77 kp/cm²	ca.	300 A	93
0.21 kp/cm²	ca.	1100 A	96
4i		Versuch 9 (F ig. 9)

Der Versuch zeigt eine Mauer (26), welche in einem Behälter (27) mit Wasser steht. Unter normalen Bedingungen steigt Wasser infolge der Kapillarkräfte

;o der Mauer in dieser auf und erreicht eine natürliche Steighöhe, hier als H-O bezeichnet Versieht man die Mauer mit Elektroden (29 und 30) und legt über diese eine Gleichspannung (31) an, so steigt das Wasser über die normale Steighöhe (//-O) zu einer Höhe HA auf, wenn die Richtung des Fehlstellen-Stromes (Plus nach Minus) der natürlichen kapillaren Strömung entspricht

Versuch 10 (F ig. 10)

In diesem Versuch ist die gleiche Anordnung vorhanden, nur die Polarität der Spannungsquelle umgekehrt Erwartungsgemäß wird das kapillar-eingedrungene Wasser von der Höhe H-O auf eine Höhe H-2, d. h. in Richtung auf die jetzt negative, untere Elektrode (30), zurückgedrängt Die Mauer wird gegen eindringendes Wasser gesperrt, der natürliche Kapillar-Effekt offensichtlich umgekehrt

Aus dem Vorstehenden ergeben sich die Anwendungsfälle der Beispiele 3,4 und 5 des erfindungsgemä-

Ben Verfahrens.

Denkt man sich die Versuche 9 und 10 bzw. die Versuche 1, 2, 7 und 8 derart abgewandelt, daß man sie auf den Wassertransport innerhalb des Erdreiches anwendet, so ergeben sich die Anwendungsfälle der Beispiele I und 2 des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Der Stand der Technik zu den Varianten des erfindungsgrmäßen Verfahrens Iäi3t sich am besten aus Anwendungsfällen zu den Beispielen 1 bis 5, insbesondere der Beispiele 3 bis 5 ableiten. Nachfolgend ist eine repräsentative Auswahl bekannter Verfahren und deren Wertung durch Gutachten diskutiert.

Aus der DE-OS 19 26 381 ist ein Verfahren der sog. »passiven Elektro-Osmose« bekannt, bei welchem in ein feuchtes Mauerwerk nicht-resistente, metallische Elektroden in zwei Ebenen eingelegt werden. Die obere Ebene wird mit der unteren kurzgeschlossen, die untere vorzugsweise geerdet und so ein Stromfluß im Mauerwerk erzeugt, der die Strömung des aufsteigenden Wassers unterbinden soil. Ais Äntriebsenergie soii das infolge kapillarer Strömung im Mauerwerk auftretende Strömungspotential benutzt werden können. (Dieser Vorgang wäre ein Perpetuum Mobile. Er findet tatsächlich nicht statt. Vielmehr wird ein Gleichstrom infolge Galvano-Korrosion der Elektroden erzeugt.)

Das Verfahren hat entscheidende Mangel: Zunächst ist kein geeignetes Metall bekannt, das nicht in kürzester Zeit in aggressiver Umgebung galvanisch korrodiert oder passiviert werden würde. Sobald aber Korrosion oder Passivierung einsetzt, verändern sich die ohnehin kritischen Übergangswiderstände an den Elektroden. Weiter existieren bei jeder metallischen Korrosion elektrochemische Potentiale, die die ursprünglichen Verhältnisse im Mauerwerk grundlegend verändern. Weiter ist zu erwarten, daß an beliebigen, nicht-homogenen, porösen Feststoffen, gleichviel ob es sich um Mauern, um Erdreich oder um andere Feststoffe handelt, ziemlich unterschiedliche »Eigenpotentiale« auftreten, die nicht nur von Meßpunkt zu Meßpunkt differieren, sondern sich auch über einen Beobachtungszeitraum entscheidend ändern. Ferner treten in der Umgebung von Bauwerken und an diesen sehr oft vagabundierende Ströme teils großer Stärke auf — z. B. in der Nähe von Straßenbahnen, — welche die Potentiale der porösen Feststoffe stark beeinflussen können. Selbst scheinbar harmlose Leckströme aus der Hausinstallation oder elektrochemische Vorgänge innerhalb von Mauerwerken bewirken Veränderungen der internen Potentiale der Feststoffe.

So ist es nicht verwunderlich, wenn das genannte Verfahren regelmäßig schlechte Ergebnisse liefert.

Bei einer Variante des vorstehenden sog. Engelsdorfer Verfahrens besteht die untere Ebene der Elektroden aus Aluminium-Stäben. Dadurch wird zwischen Anoden und Kathoden das elektrochemische Potential (zwischen Aluminium und anderen Metallen, bei Eisen ca. 1,18 V) zwar erhöht aber es kommt zu einem besonders rapiden Abbau der Elektroden. Die Anwendung des Engelsdorfer Verfahrens wurde in etlichen Ländern, sogar in der DDR selbst zwischenzeitlich behördlich untersagt An diesem Beispiel zeigt sich jedoch, daß die Verfahren der sog. »passiven Elektro-Osmose« in Wirklichkeit ihre Treiberenergie aus galvanischer Korrosion (elektro-chemischer Korrosion) beziehen. Deshalb ist es korrekt sie als Galvano-Korrosions-Verfahren zu definieren.

Die DE-OS 19 44435 ist offenbar auf die vorstehen-

den Nachteile des Verfahrens nach DE-OS 19 26 381 gerichtet und schlägt vor, die metallischen Elektroden wegen mangelhafter Resistenz in einen Mörtel mit Zusätzen der betreffenden Metalle bzw. Metallsalze einzubetten. Damit ist das Problem der Korrosion natürlich nicht behoben, da die Elektroden nach wie vor metallisch sind und in aggressiver Umgebung liegen. Die Behauptung, die Lebensdauer metallischer Elektroden könne so auf 10 bis 20 Jahre veranschlagt werden, ist falsch. Die Fachliteratur berichtet von Beispielen, wo schon innerhalb weniger Monate eine hochgradige Korrosion beobachtet worden ist, — dies wird durch Untersuchungen sowie Erprobungen der Bundesanstalt für Materialprüfung und der EMPA-Ziirich bestätigt.

Aus der DE-OS 17 59 891 ist ein Verfahren bekannt, das mit einer ungeregelten Fremdspannung arbeitet. Es ist ferner auf spezielle Elektroden gerichtet, die aus Zementmörtel bestehen, welche mit Graphit bzw. Kupferverbindungen angereichert sind. Diese Elektroden sind bedarfsweise ίιυίιί ausgebildet und enthalten metallische Leiter aus Kupfer. Stahl oder Aluminium.

Es leuchtet unmittelbar ein, daß auch hier galvanische Korrosion nicht zu vermeiden ist, daß teilweise die chemischen Reaktionen, z. B. an der Elektrode mit Kupfersulphat-Beimischungen. sogar heftiger ablaufen als bei den anderen »passiven« Verfahren. Vor allem läßt aber die Kennzeichnung des Verfahrens nach stark variablen, d. h. um viele Zehner-Potenzen verschiedenen Größen, — wie z. B. dem elektrischen Widerstand von Mauerwerk, die Menge des abzuführenden Wassers oder des osmotischen Wertes der Mauer. — den Schluß zu, daß die Einstellung korrekter Verfahrensdaten Zufallssache, eine Regelung des Verfahrens nicht möglich ist, — was die Praxis zudem bestätigt. Die einschlägige Fachliteratur (Meßtechnik) sagt jedenfalls klar aus, daß der Widerstand von porösen Feststoffen wie Mauerwerken, sich einer eindeutigen Ermittlung mit derartigen, korrodierenden Elektroden entzieht. Damit sind sowohl die Einstellung wie die Regelung von Verfahrensparametern von vornherein nicht zu erwarten.

Mit dem österreichischen Verfahren nach DE-PS 14 59 998 wurde erstmalig versucht, das Problem des Elektrodenzerfalls durch Galvano-Korrosion zu beherrschen. Zunächst wurde richtig erkannt, daß metallische Anoden durch galvanischen Abbau gefährdet sind. Deshalb wird in der DE-PS 14 59 998 vorgeschlagen, Anoden aus Kohlenstoff (Retortengraphit) zu verwenden. Als Kathoden werden jedoch weiterhin Stäbe, Bänder oder Drähte aus Metall, z. B. Elektrolytkupfer, verwendet. Das Problem der chemischen Korrosion bleibt folglich bestehen.

Abgesehen davon, daß bei diesem Verfahren aufwendige Stemm- und Fräsarbeiten am Mauerwerk erforderlich sind, — die namentlich bei historischen Gebäuden eine Gefahr darstellen, — weist die Erfindung entscheidende Mängel auf.

Wie die Fachliteratur zeigt sind bei elektro-physikalischen Verfahren die Obergangswiderstände zwischen Elektroden und Mauerwerk von großer Bedeutung. Kupferelektroden (Kathoden) werden aber in kurzer Zeit von chemischen Substanzen des Mauerwerks angegriffen, d. h. chemisch korrodiert Die entstehenden Kupferverbindungen erhöhen den Obergangswiderstand infolge ihrer Gleichrichterwirkung um Zehnerpotenzen. Ähnliches gät für andere Elektrodenwerkstoffe. Deshalb werden Anodenspannungen von ca. 4 bis 30 Volt benötigt

Werter wird in der DE-PS 14 59 998 selbst bereits eingeräumt, daß Kohlestäbe, welche als Elektroden (Anoden) verwendet werden, leicht zerbrechlich sind. Diese Bru'ihgefahr besteht nicht nur beim Einbau der Anoden, sie ist vor allem beim Verschließen der Mauerschlitze gegeben. Später genügen genüge Versatzbewegungen der Gebäude, bei denen sich z. B. bestehende Mauerrisse nur um Bruchteile eines Millimeters verändern, um die installierten Graphitstäbe zu zerbrechen. Damit wird zugleich die elektrische Leitfähigkeit der Anoden unterbrochen, das Verfahren wirkungslos gestellt.

Sodann weisen Kohlestäbe relativ hohe l.ängswiderstände auf. Sie können zudem industriell nur in kurzen, ca. 1 m langen Stücken hergestellt und verarbeitet werden. Die einzelnen Stäbe müssen daher mittels Muffen verbunden und über eine parallel laufende Zuleitung (aus Kupferdraht) an eine Stromquelle angeschlossen werden. Es bilden sich somit zwangsläufig bei jprW Anlage zahlreiche Korrosionsstellen mit einem Kor.osions-Potential, das mindestens dem elektrochemischen Potential zwischen Kohlenstoff (+ 740 mV) und Kupfer (+ 440 mV) entspricht. An ihren Kontaktstellen v/erden die Kupfer-Oberflächen korrodiert und passiviert, das Verfahren dadurch zwangsläufig unwirksam.

Vor allem aber ergeben sich prinzipielle Verfahrensmängel, die beliebigen sog. »aktiven Elektro-Osmose«- Verfahren zu eigen sind. Generell kommt die Fachliteratur zu dem Urteil, daß die sog. »passiven Elektro-Osmose«-Verfahren nicht wirksam sein können. Einerseits wäre das Prinzip der Ausnutzung des sog. »Strömungspotentials« zur Unterbindung des Kapillareffektes ein Perpetuum Mobile. Andererseits beziehen die sog. »passiven« Verfahren ihre Energie tatsächlich aus der Korrosion der Elektroden selbst. Sie sind deshalb mittelfristig funktionsfähig, scheitern prinzipiell an der galvanischen Korrosion bzw. chemischen Passivierung ihrer Elektroden. Doch ist dieses Problem nicht auf die »passiven« Verfahren beschränkt.

Bei der Entwicklung der sog. »aktiven Elektro-Osmose«-Verfahren ging man von der an sich richtigen Überlegung aus, daß die galvanische Korrosion der Elektroden, deren elektrochemische Zersetzung und die zu geringe Energie von elektrochemischen Korrosionen entscheidende Mangel darstellen.

Falsch war aber die Annahme, man könne Graphitoder Kohlenstoff-Anoden verwenden, diese seien elektrochemisch unbedenklich und daher geeignet, mit Fremdspannungen betrieben zu werden. Bereits aus der Fach- und Patentliteratur läßt sich Gegenteiliges beweisen.

Zunächst ist bekannt, daß bei wäßrigen Elektrolyten ab (theoretisch) 1,229 Volt die elektrolytische Zersetzung von Wasser einsetzt Je nach pH-Wert und z_ B. vorliegenden Salzen kann dieser kritische Grenzwert zwischen ca. 0,8 Volt und ca. 1,8 bis 2 Volt (in der Praxis) schwanken. Die Patentliteratur Ober die Herstellung und Verwendung von Anoden aus Graphit oder Kunstkohle stellt zudem eindeutig fest, daß Kohlenstoff-Elektroden unter den Bedingungen der wäßrigen Elektrolyse nicht beständig sind Experimentelle Vergleiche zeigen sogar, daß Graphitstäbe z. B. weniger resistent sind als zahlreiche Metall-Anoden, sobald wäßrige Elektrolyse stattfindet. Diese Tatsachen werden in den Patentschriften der sog. »aktiven Elektro-Osmose« nicht diskutiert Es ist daher erforderlich, die naturgesetzlichen Fakten explizit aufzuführen, um die Fiktion von elektrolytisch resistenten Metall- o'Jer Graphit-Elektroden richtigzustellen.

Es ist allgemein bekannt, daß unter Normal-Bedingungen wäßrige Elektrolyte bei Spannungen von (theoretisch) U= 1,229 Volt zerfallen, d. h., sie elektrolytisch zersetzt werden. Diese elektrochemische Zerfalls-Reaktion mit der Summenformel

2H₂O ±iU
Wasser + Energie

2 H₂ + O_:

Wasserstoff- Sauerstoff-Gas Gas

lauft de facto nicht in dieser Form, sondern nach verschiedenen llalbieaktionen ab. von denen die nachfol-■' genden beispielsweise angeschrieben sind. Nach J. Koller gilt:

Kathodische llalbrcaktion in alkalischer Lösung:
2(H₂O),;, » 2(HU+ 2 OH~

Die entstehenden (OH )-lonen können an der Kathode nicht verbleiben und wandern 'n Richtung Anode. Auf ihrem Weg verändern sie wegen ihrer :ί negativen Ladung das sog. ZETA-Potential an den Kapillarwandungen. Dadurch wird der gefürchtete »Umschlag-Effekt«, welcher bislang nicht erklärbar war. eingeleitet. Dabe kommt es zu einer unkontrollierbaren Umkehr des kapillaren Wassertransportes, -d.h. in die Bewegung des Kapillarwassers findet entgegen der »normalen« Bewegungsrichtung der Elektro-Kinese statt.

Weitere Halbreakt'onen finden wie folgt statt:

i'i Kathodische llalbn.aktion in saurer Lösung:

2 1Γ - 2

in saurer und alkalischer Lösung:
2(H).,,,, * (H;),.,.

(H,),,, ► Η, j

(Wasserstoff-Gas entweicht. Gefahr von Knallgas-Bildung!)

Weit folgenschwerer für die Elektroden und das Mauerwerk ist die anodische Halbreakiion der Elektrolyse:

Anodische Halbreaktion in saurer Lösung:

2 (H₂OU » 2 (OHU + 2 ir + 2 Γ

(OHU > (OU + H" + f

in alkalischer Lösung:

2 (OH-U » 2 (OHU + 2 e

(OHU + (OH-U <■ (OU + H₂O + e~

in saurer und alkalischer Lösung:

(OHU + (OHU » (OU + H₂O

(OU

(Sauerstoff-Gas entweicht.)

Erst aus der Addition von vorstehenden Halbreaktionen ergibt sich die Gesamtreaktion als Summenformel:

H₂O * H₃ + 1/2 O₃

mit der unteren Grenze der Zersetzungsspannung bei 25°C und Atmosphärendruck EZG = 1,229 V.

Es kommt also bei der sog. »aktiven Elektro-Osmose« zwangslä'iP.g zur elektrolytischen Zersetzung von Wasser. Dies wird in einigen Patentschriften und Veröffentlichungen unumwunden eingeräumt, z.T. sogar als wünschenswert beschrieben und falsch dargestellt Tatsächlich kommt es an der Kathode zur Bildung von Knallgas, werden dort zugleich negativ geladene OH-lonen erzeugt, welche das »Umschlagen« der elektro-kinetischen Transportmechanismen bewirken. An den Anoden hingegen wird vor allem radikalischer Sauerstoff in adsorbierter Form erzeugt Dieser greift (in statu nascendi) auch Graphit und Kohlenstoff an und zerstört Anoden aus diesen Werkstoffen in kurzer Zeit Dabei bilden sich äußerst aggressive Substanzen, wie z. B. Graphitsäure. Die betreffenden Reaktionsgleichungen wurden von J. Koller wie folgt angeschrieben:

C_1x -^- (C₁O)₂

(CO)₂ + H₂O > C₂^₂COCO₂H + H⁺ + e~

-> C₂₁-J + CO₂ + CO + H⁺ + e~

2 C_xOH

C + H₂O C + 2 H₂O C + 4 Cl

CCl₄+ 4 €

C_2xO + 2 H₂O

2e~ +0,52V

■4f + 0,21 V

+ 1,19V

C₄, -Ϊ-» (C₄F), C₂VHSO₄)- · 2 H₂SO₄ CJHF₂

); H₂O)₂

ten) Gleichung von Nernst elektrischen Potentialen entsprechen:

e = 58 · pH [mV]

Zwischen einem Mauerwerk mit z. B. pH = 12 und einer durch wäßrige Elektrolyse geschädigten Graphit-Anode mit pH = 4 besteht somit ein etektro-chemisches Potential von

i/=58 - A pH = 58 - (12 - 4) = 58 · 8 i/=ca. 470 m Volt (!)

Graphitsäure Graphitsäure Graphitsäure

Die Reaktionen des entstehenden Sauerstoffs mit dem Kohlenstoff (bzw. Graphit) der Anoden hat unmittelbare, gravierende Folgen, die Ober das bloße Ablagern von Salzen weit hinausgehen.

Die pH-Werte an den Anoden z. B. sinken bis unter pH=4 ab. Die elektrischen Verhältnisse werden dadurch vollkommen unkontrollierbar, zumal sich zugleich auch elektrische Rückwirkungen ergeben. Dazu ist bekannt, daß pH-Werte nach der (vereinfach- Die Auswirkungen solcher Zersetzungsprozesse konnten an Fehlschlägen grundlegend studiert werden. Untersuchungen der Bundesanstalt für Materialprüfung (BAM) Berlin kamen erwartungsgemäß zu dem Ergebnis, daß die Verfahren der (aktiven wie passiven) Elektro-Osmose gleichermaßen an der mangelhaften Resistenz ihrer Elektroden scheitern müssen. Vor allem zeigt der Versuch 7 dieser Schrift, daß elektro-kinetischer Transport von Kapillarwasser aufhört, sobald

Elektrolyse einsetzt

So stellt sich letztlich die Frage, ob und warum die bekannten Verfahren der sog. »aktiven Elektro-Osmose« nicht mit Anodenspannungen unter der Zersetzungsspannung von Wasser (1,229 V) betrieben werden können.

Durch die Verwendung von Anoden aus Kohlenstoff und Kathoden aus korrodierbaren Metallen (Kupfer, Stahl, Zink, usw.) ergeben sich im Mauerwerk elektro-chemische Potentiale, die z. T. im unkorrodier ten Zustand (z. B. Kohlenstoff mit Zink) bereits mit U= 1,5 Volt oberhalb der elektrolytischen Zersetzungs-Grenzspannung (EZG) von £/=1,229 Volt liegen. Ihre Potentiallage selbst ist zudem noch dergestalt, daß sich bereits durch die bloße Anwesenheit der Elektroden werkstoffe eine Verstärkung des natürlichen Kapillar- Effektes ergeben würde.

Die Fremdspannung eines »aktiven Elektro-Osmose«-Verfahrens müßte also mindestens etwas größer sein als das elektro-chemische Potential der Elektroden selbst, aber von entgegengesetzter Polarität Daraus ergibt sich, daß eine »aktive Elektro-Osmose« mit unterschiedlichen, korrodierbaren Elektroden bisher bekannter Art unterhalb der elektrolytischen Zersetzungs-Grenzspannung von Wasser aus naturgesetzli- chen Gründen überhaupt nicht realisierbar ist Es findet notwendigerweise stets Elektrolyse statt Daher werden die Verfahren der sog. »aktiven Elektro-Osmose« korrekterweise als Elektrolyse-Verfahen bezeichnet. Eine elektrolytische Trockenlegung von Bauwerken ist dauerhaft nicht realisierbar, scheitert sowohl an der Korrosion der Elektroden wie an der Ablagerung schädlicher Salze.

Erschwerend kommt hinzu, daß alle bis dato bekannten (metallischen) Kathodenwerkstoffe che misch korrodiert und passiviert werden. Dadurch erhöhen sich die notwendigen Anodenspannungen nochmals zwangsläufig. In der Praxis ist ein Betrieb von Verfahren der sog. »aktiven Elektro-Osmose« selbst unter günstigsten Bedingungen mit Anodenspannungen unter ca. 2 bis 1,5 Volt dauerhaft nicht mehr realisierbar, weil sie der Passivierung der Kathoden erliegen würden. Sobald die Anodenspannungen aber über der Zersetzungsspannung (1,229 Volt) liegen, fallen die Anoden

der Elektrolyse des Wassers zum Opfer, Man erkennt; Die Verfajirens-schädliche Elekrolyse von Wasser beginnt bei den sog, »aktiven Elektro-Osmose«-Verfahren, noch lange bevor die zur Überwindung e!ektro-chemischer Barrieren und Passivierungsschichten notwen- dige Anodenspannung erreicht ist.

Diese Tatsachen gelten auch für das Verfahren nach DE-AS 19 04223 ebenso wie für die verschiedenen anderen Verfahren, die prinzipiell technisch vergleichbarsind.

Bei diesem aus der CSSR stammenden Verfahren wird als Anode ein Kupferdraht, welcher mit einem stark Graphit-überfüllten Elastomer ummantelt ist, verwendet Als zusätzliche Kontaktmasse dient zudem eine stark mit Kunstkohle überfüllte Kunststoff-Paste, is Erdungsstäbe aus verzinktem Stahl oder verschweißtem Baustahl (St-30) bilden die Kathode.

Die Anode wird in einen zuvor ausgestemmten Mauerwerksschlitz eingelegt und mit Hilfe der Kontaktmasse die Kontaktfläche Anode -► Mauerwerk vergrö- Bert Damit soll der eiekiroiyiisehe Zerfall der Anöden vermindert werden. Dies ist offensichtlich ebenfalls irreführend.

Aus den Gesetzen von FARADAY

m = c-J ■ I

und OHM

25

30

und der Widerstandsgleichung ^R = T-A

folgt, daß der elektrolytische Zerfall jeder Anode umso größer sein muß, je größer ihre Kontaktfläche ist, -nicht umgekehrt.

Weiter wird der elektrolytische Zerfall der Anodenmasse in den zugehörigen Firmendruckschriften als besonders vorteilhaft bezeichnet, zugleich aber mit

kg A ■ Jahr

angegeben. Nun ist nicht die Masse, sondern stets das Volumen, welches pro Zeiteinheit abgebaut wird, entscheidend dafür, ob und wie lange eine Elektrode funktionsfähig bleibt bzw. ihren Kontakt mit der Umgebung (Mauerwerk) verliert.

Das Anodenmaterial gemäß DE-OS 19 04 223 wurde analysiert. Es weist überraschenderweise eine technologisch völlig ungeeignete Rezeptur auf:

ca. 30% Kunststoff-Elastomer, z. B. Polyurethan, oder Äthylen-Fropylen-Kautschuk, sind mit

ca. 30% Kunstkohle überfüllt.

Um diese extrem hohe Überfüllung halten zu können, sind weiter

ca. 30% Weichmacher

erforderlich. Dieser wiederum erfordert die äußerst bedenkliche Menge von

ca. 10% Stabilisatoren,

Die Dichte des Anodenmaterials wurde mit

ρ = ca. 0,9 g/cm³ ermittelt.

Rechnet man mit diesen Daten die behauptete Resistenz von

c=l

A ■ Jahr

in allgemein gebräuchliche Dimensionen um, so ergeben sich als FARADAVsches Äquivalent-üewicht

A s

und als sog. FARADAVsches Volumen mnr¹

d = 0,0276

A s

Das heißt: pro Ampere und Sekunde gehen von diesem Anodenmaterial 0,0276 mm³ verloren.

Ein Vergleich mit bekannten Metallen zeigt, daß dieses Anodenmaterial sogar schlechter ist als z. B.

Nickel mit <?= 0,0228 -555L oder

A ■ s

35 VA-Stahl mit d = 0,0248

A -s

, oder

einfaches Eisen III mit

40 d = 0,0245

mm' A s

von denen die gleiche Patentschrift behauptet, sie seien wegen ihrer mangelnden Resistenz ungeeignet.

Die sog. PU-Elektroden sind also weniger beständig als konventionelle Materialien, abgesehen von exotischen Metallen wie Titan, Platin, Tantal und etlichen Legierungen. Sogar

Kupfer II mit d = 0,0342

mm A s

liegt kaum schlechter als der sog. PU-10-Anodenwerkstoff nach DE-AS 19 04 223. Die Behauptung, PU-10- Anoden seien 30mal resistenter als Kupfer und lOmal beständiger als Stahl, sind falsch. Experimente zur Feststellung des tatsächlichen Abbaues von Anodenmaterial aus überfülltem Elastomer nach DE-AS 19 04 223 zeigen einen weiteren, entscheidenden Mangel. Sobald das Material in wäßrigen Elektrolyten betrieben wird, werden zunächst die hochgradig polaren Stabilisatoren durch den elektrischen Strom ausgetrieben. Daraufhin fallen die Weichmacher als schmutzig-hellbraune Gallertmasse aus. Die Anoden verspröden dadurch, es' kommt zur Ausbildung von typischen Überfüllungsrissen und letztlich zur Zerstörung des metallischen Innenleiters, welcher unter Bildung grün-blauer Kupfer-

salze zersetzt wird.

Die angebliche Resistenz der Elektroden nach DE-AS 19 04 223 ist de fakto auch aus diesem Grunde nicht gegeben. Die verfahrenswidrige elektrochemische Spannung zwischen Anoden (Kunstkohle mit Elastomer) und Kathoden (verzinkter Stahl) beträgt bei der DE-AS 19 04223 unmittelbar nach dem Einbau der Elektroden ca, 1500 mV. Sie kann sich im Betrieb infolge pH-Wert-Verschiebung, Korrosion und Elektrolyse bis auf über 2500 mV erhöhen, — wie an Experimenten wie ι ο in der Praxis festgestellt wurde.

Bei Untersuchungen der BAM versagte dieses Verfahren wegen des elektrolytischen Zerfalls seiner Elektroden erwartungsgemäß.

Die in einigen Patentschriften, z. B. in der österreichi- \ sehen Patentschrift 2 98 006 (zugehörige DE-PS 14 59 998), in der DE-AS 19 04 223 oder in der DE-PS 7 06 388 enthaltenen Aussagen über Elektrodenresistenz sind entweder naturgesetzwidrige Behauptungen oder aufgabanhaft formulierte Zielvorstellungen. Im Falle der DE-PS 7 06 388 wird die Tatsache mangelhafter Resistenz einerseits durch die Angabe »Elektroden aus Kupfer« bewiesen, zum anderen aber durch die nachfolgende Patentanmeldung DE-AS 12 84 604 bestätigt, die darauf abstellt, die fehlende Elektrodenresistenz der DE-PS 7 06 388 durch Verwendung von »kapillarverstopfenden« Substanzen (Eiektro-Phorese) zu begegnen.

Doch auch dieser Weg ist technisch irreal. Versuche wie praktische Erfahrungen zeigen, daß eine Kapillar-Verstopfung technisch nicht durchführbar ist Die dazu vorgesehenen bubstanzen — z. B. Metallsalze— verhindern die bei allen bk, dato bekannten Verfahren einsetzende Elektrodenko.Tosion nicht, verstärken aber die zwangsläufig auftretenden Fo-' jeschäden, die sich in der Regel als Salzsprengungen zeigen.

Somit sind auch die Mängel bekannter Verfahren hinsichtlich Elektrodenresistenz detailliert nachgewiesen. Sie sind letztlich durch Untersuchungen der BAM sowie durch zwei Diplomarbeiten der TU München (H. »0 Schmitt, 1975, und Ch. Schulte, 1977) verifiziert Auch Untersuchungen der EMPA Zürich (1973) attestierten den (vor 1975 bekannten) Verfahren der sog, aktiven wie passiven Elektro-Osmose mangelnde Resistenz der Elektroden und letztlich Funktionsunfähigkeit mit erheblichen Folgeschäden.

Aufgrund der vorstehend beschriebenen Probleme stellt sich für die vorliegende Erfindung eine Art Mehrfachaufgabe:

50

A) Es soll ein universell anwendbares Verfahren gefunden werden, das es erlaubt, mittels eines evtl. vorhandenen starken Eigenpotentials oder einer angelegten Fremdspannung die kapillaren und osmotischen Vorgänge in und an porösen Feststof-Fen je nach Bedarf intensivierend, dämpfend oder auch umkehrend zu beeinflussen.

B) Das Verfahren muß derart eigenstabil sein, daß es den Einsatz von selbstregelnden Stromquellen gestattet, das heißt, alle kritischen Teile der &o Verfahrenseinrichtung müssen chemisch, elektrochemisch, elektrolytisch und biologisch inert bzw. elektrisch passiv sein.

C) Es sollen Elektroden eingesetzt werden, die chemisch, elektrochemisch, elektrolytisch und bio- M logisch inert bzw. elektrisch passiv sowie einfach herzustellen sind, und die bei ihrem Einbau leicht zu handhaben, flexibel, dünn dehnfähig und doch zugfest sein müssen, und die letztlich als Meterware beliebiger Länge hergestellt und eingesetzt werden können.

Die vorstehende Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zunächst (Fig. 11) das elektrische Eigenpotential (Strömungspotentia!) an den Feststoffen (32) ermittelt wird, daß weiter der genannte Feststoff etwa in Höhe des Spiegels (34) der genannten Flüssigkeit (33) bzw. parallel dazu mit einer inerten und elektrisch passiven Elektrode (35) versehen wird, daß ferner oberhalb und in einiger Entfernung von der erstgenannten, unteren Elektrode mindestens eine zweite, gleichartige Elektrode (36) in an sich bekannter Weise parallel zur ersten angebracht wird, daß außerdem in an sich bekannter Weise an beide Elektroden bedarfsweise eine Spannung (37) angelegt wird, wobei die obere Elektrode positiv gegen die untere gehalten wird, oder — je nach Verfahrenszweck — umgekehrt, wobei jedoch die Elektrodenspannung unterhalb der Depolarisationsspannung (elektrolytische Zersetzungs-Grenzspannung, EZG) der aufsteigenden Flüssigkeit (38), vorzugsweise bei dem 2- bis 5fachen Wert der eingangs ermittelten Eigenpotentiale, und in der Regel nicht höher als das 10- bis 20fache derselben gewählt wird.

Die erfindungsgemäße Lösung der abstrakten Aufgabe wird verständlicher, wenn man sich den Feststoff als porösen und osmotisch wirksamen Körper vorstellt, der auf einer mit Wasser durchfeuchteten Unterlage steht und seinerseits Wasser aufsaugt (F ig. 11).

Gleichfalls kann man sich den porösen, osmotisch wirksamen Körper als Mauerwerk vorstellen. Ebenso ist die Vorstellung richtig, der Feststoff sei ein pflanzlicher Organismus oder ein räumlich nicht exakt abgrenzbarer Teil einer an sich größeren Masse von Feststoff, zum Beispiel ein begrenzter Teil des natürlichen Erdreichs.

Bei einer speziellen Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens auf ein Mauerwerk, bei dem infolge verschiedenster Gegebenheiten außergewöhnlich hohe Eigenpotentiale ermittelt wurden, kann man davon ausgehen, daß bei einem Eigenpotential des Feststoffes von ca. 500 mV und mehr die untere Elektrode geerdet wird, und daß zwischen den Elektroden mehrere kräftige Kurzschlußleitungen angebracht werden mit der Maßgabe, daß deren Ersatzwiderstand niedriger sein muß als die Übergangswiderstände aller Elektroden insgesamt sein können.

Diese Lösung bietet zwar nicht die gleiche Sicherheit wie die vorstehend genannte, da bei fortschreitendem Verfahrenserfolg die Eigenpotentiale abnehmen und die Wirksamkeit des Verfahrens schwindet. Sie bietet sich an, wenn kapillare Strömungspotentiale störend wirken würden und ist keinesfalls mit der sog. »passiven Elektro-Osmose« identisch oder vergleichbar.

Kostensparend ist eine weitere Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei welcher bei kurzzeitigem Betrieb des Verfaherns in einer Richtung als Kathode eine Elektrode aus weitgehend inertem Metall, vorzugsweise aus Edelstahl, verwendet wird.

Eine Edelstahl-Kathode, vorzugsweise als Band ausgebildet, hat den Vorteil, daß die Kosten von Edelstahl-Elektroden geringer sind als die von erfindungsgemäßen Elektroden. Es muß aber absolut sichergestellt sein, daß die Edelstahl-Elektroden nicht positives Potential annehmen oder anderweitig angegriffen werden.

Mauerwerke großer Länge und Dicke und damit

Masse, wie sie vor allem bei historisch wertvollen Gebäuden oft vorliegen (F i g. 12), röstet man zweckmäßigerweise mit mehreren Elektrodensystemen, die angenähert spiegelgleich angeordnet sind, aus, wobei vorzugsweise die äußere untere Elektrode (39) geerdet wird (40) und damit das Potential des Flüssigkeitsniveaus (41) annimmt, während die obere äußere Elektrode (42) positiv gegen die untere äußere gehalten wird, wobei weiter auch die untere innere Elektrode (43) positiv gegen die untere äußere Elektrode (39) gehalten wird, während die obere innere Elektrode (44) erneut positiv gegen die untere innere Elektrode gehalten wird.

Mit dieser Maßnahme wird gegenüber einem Einfach-System ein homogenes elektrisches Feld innerhalb des Mauerwerks erzeugt, was eine größere Wirkung des Verfahrens zur Folge hat

Diese Wirkung kann nochmals verbessert werden, indem das Elektrodensystem der einen Seite in der Höhe versetzt angeordnet ist, vorzugsweise um nicht mehr als den halben Elektrodenabstand des niedrigeren Systems sowie mit der Maßgabe, daß die ElektrodenpotentiaJe so verteilt sind, daß die am höchsten über Flüssigkeitsniveau angeordneten Elektrode this höchste positive Potential im Betriebszustand aufweist.

Wie aus den Beispielen 1 bis 5 zu ersehen ist, bewirkt das erfindungsgemäße Verfahren bei umgekehrter Polung der Elektroden z. B. einen erhöhten Flüssigkeitsdurchsatz. Dieser Effekt kann praktisch benutzt werden, um z. B. eine im Bau befindliche Mauer vor dem Austrocknen zu schützen, es bietet sich gleicherweise aber ein völlig anderer Einsatzfall an. Aus grundsätzlichen Versuchen ist bekannt, daß beispielsweise das Wachstum eines Baumes durch erhöhte Zufuhr von Nährflüssigkeit ebenso beschleunigt werden kann wie gegebenenfalls der Ertrag. Gleichfalls ist bekannt, daß bei diesem Wachstumsprozeß elektriche Vorgänge eine Rolle spielen. Die Erkenntnisse wurden allerdings gemeinsam nicht genutzt, weil bislang keine chemisch und biologisch inerten Elektroden zur Verfügung standen. Das erfindungsgemäße Verfahren kann offenbar auch oei solchen organischen Feststoffen zur Anwendung gelangen, weil die erfindungsgemäßen Elektroden den Voraussetzungen dafür genügen.

Die aus den Versuchen 1 bis 10 gewonnenen Erkenntnisse zeigen, daß den Elektroden eine große Bedeutung zukommt. Auch die Fachliteratur bemängelt, daß bei vorbekannten Verfahren die Korrosion der Elektroden ein Hauptübel ist.

Versuche haben nun ergeben, daß Elektroden aus Polytetrafluorethylen (PTFE), das mit leitfähigen korrosionsbeständigen und elektrolytisch resistenten Materialien gefüllt ist, gute elektrische Eigenschaften besitzen, aber chemisch, elektrolytisch, elektrochemisch und auch biologisch unbedenklich sind. Dies gilt vor allem, wenn das PTFE mit Kohlenstoff, z. B. Kunstkohle, Graphit oder Ruß gefüllt ist. Es bietet sich deshalb vorzugsweise die Verwendung von sogenannten Folien-Elektroden an (Fig. 13), weiche aus zwei Folien aus PTFE bestehen, in die ein Leiter (45) eingebettet ist. Aus der DE-OS 2125 535 ist die Herstellung derartiger Folien, aus der DE-OS 21 25 276 die Weiterverarbeitung zu einem Laminat bekannt.

Zweckmäßigerweise verwendet man Folienelektroden, weil diese bei geringem Materialbedarf, — der Werkstoff PTFE ist relativ teuer —, eine große Oberfläche zur Kontaktgabe bieten. Vorteilhaft ist ferner, nur eine Elektrodenseite (46) aus leitfähigem Kunststoff herzustellen, während die andere Elektro-

denseite (47) aus ungefülltem Kunststoff bestehen kann. Die leitfähige Seite der Folienelektrode wird als Kontaktsfiite mit dem Feststoff, z.B. Mauerwerk, benutzt. Besonders günstig wirkt sich eine Riefung (48) der leitfähigen Seite aus. Bei Riefen mit 60°-Flanken vergrößert sich die kontaktfähige Oberfläche auf das Doppelte.

Die eingebetteten Leiter (45) sorgen für eine gute Potentialverteilung.

Natürlich können die Elektroden aus anderen Kunststoffen bestehen, die wahlweise mit anderen Füllstoffen versehen sind. Günstige Eigenschaften sind vor allem von anderen Fluor-Kohlenstoff-Polymerisaten, wie z. B. FEP, ETFE, PCTFE und PFA zu erwarten. Als Füllstoffe eignen sich ferner pulverisierte Edelmetalle, insbesondere einige Edelstahl-Pulver.

Weiter ist es durchaus möglich, die Elektroden als Rund- oder Profilstäbe herzustellen, v/obei sich die Kunststoffe der Gruppe der Olefine, der Vinyl-Verbindungen, der Polystyrole, der Polyacrylate, der Polyamide, der Polyimide, der Polyester, dr· Silikone und nicht zuletzt der fluorierten synthetischen Kautschukmassen, — z. B. Viton eignen, da praktisch in jeder Gruppe Werkstoffe zu finden sind, die durch Füllstoffe leitfähig gemacht werden können und dabei ausreichend inert und beständig sind. Die besten Ergebnisse aber sind ohne Frage mit Folien-Elektroden aus Fluor-Kohlenstoff-Polymerisaten zu erwarten.

Soll das erfindungsgemäße Verfahren in nur einer Richtung und mit einem Elektrodensystem betrieben werden, so kann die negativ betriebene Elektrode aus einem Metall, vorzugsweise aus Edelstahl, z. B. aus Bandstahl der Werkstoffe 1.4420, 1.4435, 1.4571 oder 1.4573 bestehen. Dieses gilt vor allem bei der Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens für die Entfeuchtung vor. Gebäuden. Die Maßnahme ist kostensparend.

Die Menge des leitfähigen Füllstoffes, die eine Elektrode enthalten muß, hängt primär vo.-t dem Verfahren ab, nachdem die jeweilige Elektrode hergestellt werden soll. Thermoplastische Werkstoffe, im Extrusionsverfahren zu Elektroden verarbeitet, erfordern ungleich höhere Mengen, z. B. an Kunstkohle oder Graphit, verglichen mit PTFE, das im Pastenextrusionsverfahren verarbeitet wird. Generell sollte der spezifische Widerstand nicht über 10⁶ (Ohm · mmVm) liegen. Bei Folien aus PTFE sollte der Quadratwiderstand unter 10 MOhm, vorzugsweise unter lOkOhm liegen.

Grundsätzlich kann man davon ausgehen, daß die Auswahl der geeigneten Elektroden, — auch hinsichtlich ihrer Abmessungen —, von dem jeweiligen Anwendungsfall abhängt, und daß das Verfahren um so reib; fifc'sloser und dauerhafter funktioniert, je hochwertiger die Elektroden sind. Bei organischen Anwendungen oder Mehrsyatem- bzw. Umkehr-Systym-Anwendungen sind in der Regel PTFE-Folienelektroden mit Kohlenstoff als Füllmasse vorzusehen.

Beim Anbringen der leitfähigen Kunststoff-Folien-Elektroden ist es vorteilhaft, zwischen Folienelektroden und dem Festkörper eine leitfähige Zwischenimasse, z. B. bei Mauerwerken graphithaltigen Zementmöitel, vorzusehen.

Die technischen und wirtschaftlichen Vorteile des erfindungsgemäßer Verfahrens liegen auf der Hand.

In technischer Hinsicht werden praktisch alle Nachteile der vorbekannten Verfahren vermieden oder beseitiet: Korrosionseefahren für die Elektroden sind

ebenso nicht gegeben, da die metallischen Zuleitungen (45) vollkommen von den Folien umschlossen werden und namentlich bei Fluor-Kohlenstoff-Elektroden absolute chemische Resistenz gewährleistet ist.

Durch die Möglichkeit, mit Fremdspannung zu arbeiten, werden die Imponderabilien der passiven Verfahren eliminiert. Da die Elektroden beständig sind, kann mit gleichbleibenden Übergangswiderständen gerechnet werden, so daß sich die elektrischen Verhältnisse nur noch in Abhängigkeit vom Verfahrensfortschritt, z. B. Absinken einer Mauerfeuchtigkeit, ändern, so daß eine zweckdienliche Strom- oder Spannungsstabilisation möglich wird, vor allem die Anodenspannungen auf unkritischen Werten, unterhalb der Elektrolyse-Zersetzungs-Grenzspannung, gehalten werden können.

In wirtschaftlicher Hinsicht sind große Vorteile zu erzielen: Wenn die Elektroden als Folieneiektroden

renden Eingriffs in die statischen Verhältnisse und die Festigkeit der Werkstoffe. Die gleiche Überlegung gilt für das Abtragen und erneute Aufbauen ganzer Teile eines Grundmauerwerks.

Chemische Sanierungs-Verfahren können zwar preisgünstig wie erfindungsgemäße Verfahren sein, aber z. B. durch Injektion chemisch aktiver Substanzen wird in der Regel die osmotische Energie in den Feststoffen erhöht, was wiederum den Durchsatz von Bodennässe begünstigt, zumal die einzig funktionsfähigen Injektageverfahren wie semipermeable Membranen wirken. Es sollte bedacht werden, daß in der Präsenz von chemischen Substanzen, vor allem von Säuren und Salzen, die Ursache einer erhöhten Durchfeuchtung und damit der weiteren Versalzung der Feststoffe zu sehen ist, was wiederum zu einer Steigerung des Feuchtigkeitsdurchsatzes führt — ein Kreislauf also, solange die Ursache nicht beseitigt wird. Zudem ist bekannt, daß nur die

(r ι g. ι j/ duagcutfuct sinu, ciiitdiicii uic SGfiSi CriGi\iCriichen Stemm- und Fräsarbeiten an den Mauerwerken, können die Folienelektroden flächig an den Feststoffen Mauern, Erdreich, Bäume usw. — angebracht werden. Ihre Flexibilität erlaubt es, jeder Oberflächenform der Feststoffe zu folgen. Bei alten Bruchsteinmauern kann man die Fugen ausnehmen und die Folienelektroden hochkant einschieben. Sogar das Ausbilden von Stichsonden (49), die in Bohrungen (50) — in dicken Mauern (51) oder im Erdreich — angebracht werden sollen, ist möglich, indem man eine Folienelektrode (52) faltet und als Leiterschleife (49) Leitschicht nach außen (Fig. 14), in die Bohrung einführt und mit Füllmaterial die Zwischenräume ausfüllt. Diese Maßnahme ist in der Regel jedoch nicht erforderlich.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist bei seiner Anwendung als bautechnische Maßnahme in der Regel anderen, auch artfremden Maßnahmen überlegen. Der häufigste Fall der Anwendung dürfte die Sanierung von Altbauten, speziell das Entfeuchten des Mauerwerkes und das Sperren von Mauern gegen Bodennässe sein. Sofern die Bausubstanz nicht bereits generell irreparabel ist, hält das erfindungsgemäße Verfahren jedem Vergleicn mit anderen Sanierungsmaßnahmen stand. Dies sind z. B. das stückweise Absägen von Grundmauern und Einfügen neuer Sperrschichten aus Bitumenpappe oder Bleifolie, beide gleichermaßen teuer und bautechnisch bedenklich wegen des gravieder Wirkung wirksam sind. Diese aber verlieren nach wenigen Jahren ihre hydrophobe Eigenschaft und erzeugen häufig Eigensalze.

Trotzdem kann es sinnvoll sein, das erfindungsgemäße Verfahren mit flankierenden, konventionellen Maßnahmen zu kombinieren. So ist das Verfahren sicherlich nicht geeignet, eine zerstörte Bausubstanz von Grund auf zu regenerieren, obwohl als eine Folge des permai inten, wenn auch geringen Stromflusses zwischen den Elektroden eine Verfestigung der Feststoffe erwartet werden kann. Dies wurde z. B. bei der Behandlung von feuchten Böden beobachtet.

Aus dem vorstehenden folgt, <Jiß es unter bestimmten Voraussetzungen sinnvoll sein kann, z. B. das erfindungsgemäße Verfahren anzuwenden und gleichzeitig zerstörte Bausubstanz zu erneuern. Gleichfalls kann es nützlich sein, bei Neubauten den Einbau eines Sperrsystems nach dem erfindungsgemäßen Verfahren gleich vorzusehen, um bereits den Ansatz des Wechselspiels zwischen Durchsatz von Bodennässe und Ansammlung von osmotisch wirksamen Substanzen, welche im Grundwasser gelöst sind, zu vereiteln. Letzlich ist das erfindungsgemäße Verfahren speziell geeignet, schädliche pH-Wert-Verschiebungen oder Einflüsse elektrischer Fremdenergien auf Bauwerke zu kompensieren bzw. zu mildern.

Hierzu 3 Blau Zeichnunsen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur wahlweisen Intensivierung, Dämpfung, Unterbindung oder Umkehr der natürlichen Bewegung von polaren oder polarisierbaren Flüssigkeiten in Feststoffen mit poröser und/oder semipermeabler Struktur unter Benutzung von vorhandenen Eigenpotentialen an und in den genannten Feststoffen, welche zwischen dort parallel eingebauten Elektroden gemessen werden, sowie bedarfsweiser Verwendung von elektrischer Fremdenergie, wobei die genannten Feststoffe von mindestens einer polaren oder polarisierbaren Flüssigkeit an ihrem unteren Teil benetzt, vorzugsweise durchdrungen sind, dadurch gekennzeichnet, daß zunächst (F i g. 11) das elektrische Eigenpotential (Strömungspotential) an den Feststoffen (32) eimittelt wird, daß weiter der genannte Feststoff etwa in Höhe des Spiegels (34) der genannten Flüssigkeit (33) und parallel dazu mit einer inerten und elektrisch passiven Elektrode (35) versehen wird, daß ferner oberhalb und in einiger Entfernung von der erstgenannten, unteren Elektrode mindestens eine zweite, gleichartige Elektrode (36) in an sich bekannter Weise parallel zur ersten angebracht wird, daß außerdem in an sich bekannter Weise an beide Elektroden bedarfsweise eine Spannung (37) angelegt wird, wobei die obere Elektrode pokiv gegen die untere gehalten wird, oder — je nach Verfahrenszweck — umgekehrt, wobei jedoch die Elektrodenspannung unterhalb der Depolarisationsspsnnung (elektroiytische Zersetzungs-Grenzspannung, EZG) wer aufsteigenden Flüssigkeit (38), vorzugsweise bei dem 2- bis 5fachen Wert der eingangs ermittelten Eigenpotentiale, und in der Regel nicht höher als das 10- bis 20fache derselben gewählt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Eigenpotential des Feststoffes von ca. 500 mV und mehr die untere Elektrode geerdet wird, und daß zwischen den Elektroden mehrere kräftige Kurzschlußleitungen angebracht werden mit der Maßgabe, daß deren Ersatzwiderstand niedriger sein muß als die Übergangswiderstände aller Elektroden insgesamt sein können.

3. Verfahren nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei kurzzeitigem Betrieb des Verfahrens in einer Richtung als Kathode eine Elektrode aus weitgehend inertem Material, vorzugsweise aus Edelstahl, verwendet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Feststoffe (32) mit entsprechend großer Längenausdehnung wie zum Beispiel Mauerwerke großer Gebäude (Fig. 12) mit mehreren Elektrodensystemen, die angenähert spiegelgleich angeordnet sind, ausgerüstet werden, wobei vorzugsweise die äußere untere Elektrode (39) geerdet wird (40) und damit das Potential des Flüssigkeitsniveaus (41) annimmt, während die obere-äußere Elektrode (42) positiv gegen die untere-äußere gehalten wird, wobei weiter auch die untere-innere Elektrode (43) positiv gegen die untere-äußere Elektrode (39) gehalten wird, während die obere-innere Elektrode (44) erneut positiv gegen die untere-innere Elektrode gehalten wird.

5. Verfahren nach Ansprüchen 1 und 4, dadurch

gekennzeichnet, daß das Elektrodensystem der einen Seite in der Höhe versetzt angeordnet ist, vorzugsweise um nicht mehr als den halben Elektrodenabstand des niedrigeren Systems mit der Maßgabe, daß die Elektrodenpotentiale so verteilt sind, daß die am höchsten über Flüssigkeitsniveau angeordnete Elektrode das höchste positive Potential im Betriebszustand aufweist

6. Verfahren nach Ansprüchen 1, 2, 4, 5, dadurch gekennzeichnet, daß Elektroden, bestehend aus einem leitfähigen Kunststoff oder Elastomer, verwendet werden.

7. Verfahren nach Ansprüchen 1, 2, 4, 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß Elektroden aus einem mit Kohlenstoffpartikeln angereicherten Kunststoff oder Elastomer verwendet werden.

8. Verfahren nach Ansprüchen 1, 2,4 und 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß Elektroden aus. einem mit korrosionsbeständigen Metall angereicherten Kunststoff oder Elastomer verwendet werden.

9. Verfahren nach Ansprüchen 1, 2,4 und 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß Elektroden verwendet werden, die mindestens einen in Längsrichtung eingefügten, metallischen Leiter enthalten.

10. Verfahren nach Ansprüchen 1,2,4 und 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß Elektroden verwendet werden, welche vorzugsweise aus Kunststoff der Fluor-Kohlenstoff-Gruppe bestehen, welcher durch Beigabe von leitfähigen Füllstoffen einen spezifischen Widerstand von unter R=IO⁶ (Ohm · mm²/m) aufweist

11. Verfahren nach Ansprüchen 1,2,4 und 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet daß Elektroden verwendet werden, welche die Form eines flachen Bandes haben (F i g. 13) und mindestens einen metallischen Leiter enthalten.

IZ Verfahren nach Ansprüchen 1,2,4 und 5 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß Elektroden verwendet werden, welche die Form eine", flachen Bandes haben (F i g. 13), welches zwei Schichten (46, 47) Kunststoff-Folie zusammengesetzt ist welche mindestens einen metallischen Leiter (45) umschließen.

13. Verfahren nach Ansprüchen 1,2,4 und 5 bis 12, dadurch gekennzeichnet daß Elektroden verwendet werden, weiche die Form eines flachen Bandes haben (Fig. 13) und aus zwei verschiedenen Kunststoff-Folien zusammengesetzt sind, wobei eine Folie (46) lettfähige Füllstoffe enthält, während die andere Folie (47) aus ungefülltem Kunststoff besteht und die Folienkombination einen metallischen Leiter (45) umschließt

14. Verfahren nach Ansprüchen 1,2,4 und 5 bis 13, dadurch gekennzeichnet daß Elektroden verwendet werden, welche die Form eines flachen Bandes haben (Fig· 13) und die verwendeten Folien (46,47) aus Kunststoff der Fluor-Kohlenstoff-Gruppe, vorzugsweise aus dem Polytetrafluoräthylen oder dessen Co-Polymerisaten bestehen.

15. Verfahren nach Ansprüchen 1,2,4 und 5 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß Elektroden verwendet werden, welche die Form eines flächen Bandes haben (Fig. 13), und aus Folien (46, 47) des Kunststoffs Polytetrafltioräthylen (PTFE) zusammengesetzt sind und mindestens einen metallischen Leiter (45) umschließen, wobei vorzugsweise eine PTFE-Folie (46) mit Kohlenstoff gefüllt und leitfähig ist, während die andere Folie (47) aus ungefülltem PTFE besteht, und daß vorzugsweise die leitfähige

Elektrodenseite Riefen aufweist, welche die Kontaktfläche <ier Elektrode vergrößern.

Die Erfindung betrifft zunächst ein elektro-kinetisches Verfahren zur Beschleunigung oder zur Unterbindung und Umkehr der natürlichen Bewegung von Flüssigkeiten in Feststoffen mit poröser und/oder semipermeabler Struktur unter Verwendung elektrischer Fremdemergie oder unter Benutzung vorhandener elektrischer Potentialgefälle.

Weiter betrifft die Erfindung die Verwendung neuartiger, zur Durchführung von elektro-kinetischen Verfahren erforderlicher Elektroden.

Für das erfindungsgemäße Verfahren bieten sich zahlreiche Anwendungen an, deren vollständige Aufzählung aus Gründen der Einheitlichkeit hier nicht möglich ist Die nachfolgende Auswahl bevorzugter Anwendungen soll repräsentative Beispiele und Varianten des Verfahrens verdeutlichen.

Beispiel 1

Eine im Erdreich ausgehobene Grube füllt sich in der Regel in kurzer Zeit mit Grundwasser. Durch Einlagerung von erfindungsgemäßen Elektroden und Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens in seiner Sperr-Variante kann der Zustrom von Wasser vermindert oder unterbunden werden.

Beispiel 2

An ausgewählten Stellen des Erdreichs kann eine erhöhte Konzentration von Feuchtigkeit erzielt werden, indem man ein System von erfindungsgemäßen Elektroden in das Erdreich einlagert und das erfindungsgemäße Verfahren in seiner Beschleunigungs-Variante betreibt Dieses Verfahren bietet sich z. B. an, um bei zu niedrigem, natürlichem Grundwasserstand bzw. zu schlechter Kapillarwirkung des Erdreichs eine gezielte Bewegung des Grundwassers zu bewirken.

B e i s ρ i e 1 3

Bauwerke, vor allem in exponierten Lagen oder historische Gebäude, sind häufig von aufsteigender Nässe durchfeuchtet. Durch Anbringen eines Systems erfindungsgemäßer Elektroden und Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens in seiner Sperr-Variante kann schädliche Mauerfeuchte beseitigt, der natürliche Kapillareffekt umgekehrt werden.

Beispiel 4

Beim Erstellen von Bauwerken muß zum Abbinden der Baustoffe ausreichend Feuchtigkeit vorhanden sein. Durch Einlagern von erfindungsgemäßen Elektroden und Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens in seiner Beschleunigungs-Variante kann ein im Entstehen begriffenes Bauwerk ausreichend feucht gehalten werden.

Beispiel 5

Nach Beendigung des Bauvorganges, nach Beispiel 4, kann mit dem eingelagerten Elektrodensystem das erfindungsgemäße Verfahren in seiner Sperr-Variante betrieben und der Bau nachhaltig entfeuchtet werden.

Weitere Beispiele find naheliegend, einige werden in Zusatzanmeldungen behandelt werden.

Zum besseren Verständnis des erfindungsgemäßen

Verfahrens, der an sich bekannten Zusammenhänge, aber auch zur Erläuterung einiger bislang unbekannter Effekte, die bei Untersuchungen überraschenderweise gefunden wurden, ist es nützlich, vorab einige Versuche s zu erläutern.