DE2846452A1

DE2846452A1 - Anodic oxidation water treatment cell supply - by pulsed DC voltage with pulse width or height modulation

Info

Publication number: DE2846452A1
Application number: DE19782846452
Authority: DE
Inventors: Norbert Dr Ing Kirmaier
Original assignee: Institut fur Biomedizinische Technik
Current assignee: DR HELMUT LEGERLOTZ-STIFTUNG 8000 MUENCHEN DE
Priority date: 1978-10-25
Filing date: 1978-10-25
Publication date: 1980-05-08

Abstract

The current supply for a water treatment based on anodic oxidn. furnishes to the cells a pulsed d.c. voltage. The voltage pulses are controlled in pulse width and/or pulse height to suit the mean voltage required by the electrotechnical and electrochemical parameters. This ensures a constant current density in the face of fluctuating water conductivity, without wasting energy in series resistors.

Description

Elektrische Versorgung für Wasseraufbe- Electrical supply for water

reitungszellen nach dem Verfahren der anodischen Oxidation Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zur elektrischen Versorgung von Wasseraufbereitungszellen nach dem Verfahren der anodischen Oxidation. Bei der Versorgung der Reaktionszellen wird hierbei eine getaktete Gleichspannung verwendet, wobei zur Energieeinsparung in einer Regelschaltung eine exakte Anpassung an den Energiebedarf der Reaktionszellen gewährleistet wird, ohne daß die zur Verfügung stehende Energie als Folge der Regelung in nicht nutzbare Wärme überführt wird. In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird eine Taktfrequenz verwendet, die über 1 kHz liegt, wodurch Polarisationsverluste bei den Elektroden der Reaktionszellen vermieden werden. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung betreffen elektronische Schaltungen zur Realisierung des Verfahrens. cavitation cells by the process of anodic oxidation The present The invention relates to a method and a device for electrical supply of water treatment cells using the anodic oxidation process. In the A clocked DC voltage is used to supply the reaction cells, with an exact adaptation to the in order to save energy in a control circuit Energy requirement of the reaction cells is guaranteed without the available standing energy is converted into unusable heat as a result of the regulation. In a further embodiment of the invention, a clock frequency is used that over 1 kHz, causing polarization losses in the electrodes of the reaction cells be avoided. Further refinements of the invention relate to electronic devices Circuits for realizing the method.

Es sind verschiedene Vorschläge bekannt wie Wasseraufbereitungsgeräte nach dem Prinzip der anodischen Oxidation mit Spannung und Strom versorgt werden können. Oblicherweise wird hierzu die Reinigungszelle an eine Gleichspannungsquelle angeschlossen, wobei für eine Entkeimung eine bestimmte Energie pro aufzubereitendes Flüssigkeitsvolumen nötig ist. So ist aus der Deutschen Offenlegungsschrift 26 26 569 bekannt, Zellen und dazugeschaltete Pumpen mit Hilfe von einem Spannungswandler (zur Erzeugung der hohen Zellspannung) mit Gleichrichter und einem Spannungskonstanter zu versorgen. Dabei wird davon ausgegangen, daß bei Batteriebetrieb Spannungen zur VerfüginM ssYnqdJ c die auf einen nötigen höheren Wert umgesetzt werden müssen, damit Zellen mit der notwendigen Stromdichte betrieben werden können.Various proposals are known such as water treatment devices be supplied with voltage and current according to the principle of anodic oxidation can. The cleaning cell is usually connected to a DC voltage source for this purpose connected, with a certain energy per to be processed for disinfection Volume of liquid is necessary. So from the German Offenlegungsschrift 26 26 569 known, cells and connected pumps with the help of a voltage converter (to generate the high cell voltage) with rectifier and a voltage stabilizer to supply. It is assumed that that with battery operation Tensions available inM ssYnqdJ c which converted to a necessary higher value must be so that cells can be operated with the necessary current density.

Aus der Deutschen Offenlegungsschrift 26 26 570 ist ebenfalls bekannt mittels Spannungskonstant- bzw. Stromkonstantschaltungen eine Versorgung mittels Gleichstrom für elektrolytische Zellen vorzunehmen. Die o.g. Verfahren haben jedoch alle einen gemeinsamen Nachteil: Um die bedingt durch eine veränderte Wasserleitfähigkeit notwendige Anderung der Zellspannung vorzunehmen, um eine konstante Stromdichte zu gewährleisten, muß ein variabler Vorwiderstand verwendet werden. Das Produkt aus dem dort entstehenden Spannungsabfall und dem Zellstrom stellt eine Verlustleistung dar, die in Form von Wärme anfällt. Dies ist ein entscheidender Nachteil besonders dann, wenn die Wasseraufbereitungszellen aus einer Batterie versorgt werden sollen. Der Wirkungsgrad der Zellen, ausgehend von der Nutzenergie und der investierten Energie am Eingang der elektrischen Schaltung sieht sehr ungünstig aus, da insbesondere bei Batteriegeräten in der Praxis mit einem Verlust von mehr als 20 Prozent gerechnet werden muß.From the German Offenlegungsschrift 26 26 570 is also known supply by means of constant voltage or constant current circuits Make direct current for electrolytic cells. However, the above procedures have all have a common disadvantage: to the caused by a changed water conductivity necessary change of the cell voltage in order to maintain a constant current density To ensure this, a variable series resistor must be used. The product the resulting voltage drop and the cell current represent a power loss which occurs in the form of heat. This is a major disadvantage especially when the water treatment cells are to be supplied from a battery. The efficiency of the cells, based on the useful energy and the invested Energy at the input of the electrical circuit looks very unfavorable, because in particular with battery devices, a loss of more than 20 percent is expected in practice must become.

Dieses Problem bedingt durch Schwankungen der Wasserleitfähigkeit wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Zellen nicht mit Gleichspannung sondern mit einer getakteten Gleichspannung versorgt werden. Es wird eine getaktete Konstantstromquelle verwendet, die nur soviel Energie aufnimmt wie aufgrund einer vorher berechneten oder automatisch ermittelten Energiebilanz für die elektrochemischen Prozesse notwendig ist. Dies wird durch einige Abbildungen erläutert: Fig.1: zeigt die gleichzeitige Darstellung von üblicher Gleichspannung und getakteter Zellspannung mit einer Anderung der Impulsbreite(und Impiil shöhe).This problem is caused by fluctuations in the conductivity of the water is achieved according to the invention in that the cells are not with direct voltage but be supplied with a pulsed DC voltage. It becomes a pulsed constant current source is used, which only absorbs as much energy as on the basis of a previously calculated one or automatically determined energy balance for the electrochemical processes is. This is explained by some figures: Fig.1: shows the simultaneous Display of normal DC voltage and clocked cell voltage with one change the pulse width (and pulse height).

Fig.2: zeigt das Prinzipschaltbild der verwendeten getakteten Stromregelung.Fig. 2: shows the basic circuit diagram of the clocked current control used.

Fig.3: zeigt eine elektrotechnische Schaltung des verwendeten Reglers.Fig. 3: shows an electrical circuit of the controller used.

Fig.4: zeigt die separate Stromversorgung der elektronischen Schaltung nach Fig. 3 Fig.1 zeigt den Verlauf der Zellspannung (1), die an einen sich ändernden Zellwiderstand (RZ1 . RZ2) angepaßt werden muß, damit eine konstante Zellstromdichte entsteht. Die gleiche effektive Leistung kann auch in Form einer getakteten Gleichspannung (2) erzeugt werden: Bei geändertem Zellwiderstand (ru2) erfolgt bei der herkömmli-2 chen Regelung eine Gleichspannungsänderung, bei der getakteteten Konstantstromquelle eine Regelung über die Impulsbreite (3) bei konstanter Zellspannung (4).4: shows the separate power supply of the electronic circuit according to FIG. 3. The same effective power can also be generated in the form of a pulsed DC voltage (2): If the cell resistance (ru2) is changed, the conventional control changes the DC voltage, and the pulsed constant current source controls the pulse width (3) at constant cell voltage (4).

Falls sich die elektrochemischen Parameter der Zelle ändern, muß eine Variation der Impulsbreite (oder -höhe) möglich sein.If the electrochemical parameters of the cell change, one must Variation of the pulse width (or height) may be possible.

Dies ist erforderlich, um bei einem zeitlichen Mittelwert des Stroms arbeiten zu können, der vorher eingestellt worden ist.This is necessary in order to obtain a mean value of the current over time to be able to work that has been previously hired.

Dies wird durch eine Schaltung bewerkstelligt, die in Fig.2 schematisch dargestellt ist. Ein Rechteckgenerator (R) arbeitet vorzugsweise mit einer Frequenz von größer als 1 kHz und ist mit einem Differenzverstärker D über den invertierenden Eingang verbunden. Der Ausgang des Differenzverstärkers D schaltet einen Transistorschalter T, der mit der Reinigungszelle (anodische Oxidation) AO verbunden ist. Der zweite (nicht invertierende) Eingang des Differenzverstärkers D ist mit einem invertierenden Integrator I verbunden, der sein Eingangssignal vom Vergleichspunkt B, dem Emitter des Transistorschalters T,erhält.This is accomplished by a circuit which is shown schematically in Fig.2 is shown. A square wave generator (R) preferably works with one frequency of greater than 1 kHz and is connected to a differential amplifier D via the inverting Input connected. The output of the differential amplifier D switches a transistor switch T connected to the cleaning cell (anodic oxidation) AO. The second (non-inverting) input of the differential amplifier D is with an inverting Integrator I connected to its input signal from comparison point B, the emitter of the transistor switch T received.

Ein parallelgeschalteter monostabiler Multivibrator M, der ebenfalls mit dem Emitter des Transistorschalters T (Punkt B) verbunden ist, ermöglicht die überwachung des Maximalstroms über ein einstellbares Referenzpotential URef2. über den Integrator I wird die Spannung am Punkt A der Schaltung so geregelt, daß das zeitliche Integral der Spannung am Punkt B konstant bleibt, d.h. i konstant bleibt; Die Integrationskonstanten können über eine Referenzspannung eingestellt werden (URef1). Durch eine zusätzliche Schaltung ist auch noch eine überwachung der Regelung möglich. So wird der monostabile Multivibrator bei Kurzschluß in der Reinigungszelle oder überschreiten des Maximalstromes über das dann am Punkt B anliegende hohe positive Potential gestartet.A monostable multivibrator M connected in parallel, which is also connected to the emitter of the transistor switch T (point B), enables the maximum current to be monitored via an adjustable reference potential URef2. The voltage at point A of the circuit is regulated via the integrator I in such a way that the time integral of the voltage at point B remains constant, ie i remains constant; The integration constants can be set using a reference voltage (URef1). The regulation can also be monitored by means of an additional circuit. The monostable multivibrator is started in the event of a short circuit in the cleaning cell or if the maximum current is exceeded via the high positive potential then present at point B.

Dadurch wird die Regelung für die Dauer der Schaltzeit des monostabilen Multivibrators ausgeschaltet. Optisch ist dies durch Blinken einer Leuchtdiode LED, die über einen Operationsverstärker 0 geschaltet wird, zu erkennen. Der Maximalstrom ergibt sich zu: Bei funktionsfähiger Regelschaltung leuchtet eine am Ausgang des Operationsverstärkers gegen Masse geschaltete Leuchtdiode LED auf. Bei noch nicht einsetzender Regelung ist die Leuchtdiode dunkel geschaltet. Hiermit ist eine eindeutige Funktionsüberwachung der elektronischen Schaltung gegeben. Fig.3 zeigt die elektrische Ausführung der verwendeten Regelschaltung. Durch Verwendung von integrierten Bauteilen, beispielsweise durch Vierfach-Operationsverstärker ist die verwendete Schaltung sehr klein auszuführen, besonders auch deshalb,weil nur geringe Verlustleistungen auftreten. Das Bauvolumen einer beschriebenen Schaltung nach dem getakteten Stromprinzip ist somit wesentlich geringer als die Schaltung bei Verwendung der normalen Serienregelung. Durch Verwendung einer Frequenz für den Taktgenerator, die über 1 kHz liegt, läßt sich auch erreichen, daß Depolarisationseffekte, die sonst bei Verwendung von Wechsel strömen oder getakteten Gleichströmen zu einem ungünstigeren elektrochemischen oder bakteriologischen Ergebnis bei den Reinigungszellen führen würden, vermieden werden. Vergleichsuntersuchungen haben keinen Unterschied gegenüber den bisher verwendeten Serienregelschaltungen ergeben. Dies soll mittels einiger Beispiele erläutert werden: 1. Beispiel: Bei einem Strom von 300 mA, einer Zellspannung von 39,4 V und einer Wasserleitfähigkeit von 431 uS/cm, einem pH-Wert von 7,86 und einem Durchfluß von lo cm3/s wurde kein Wachstum von vorher eingesetzten E.-coli-Bakterien gemessen. Diese Werte beziehen sich auf einen Versuch mit dem neuen geregelten Impulsstromregler. Ein Kontrollversuch ohne Impulsstromregler nach dem Serienregelprinzip ergab bei Ausgangswerten von 300 mA Strom, 39,4 V Spannung, Leitfähigkeit von 408pS/cm und einem Durchfluß von lo cm3 /s ebenfalls fast eine loo%ige Abtötung der vorher eingesetzten E.-coli-Bakterien. Es wurden hier lediglich o,l6% überlebende Bakterien gemessen. Dies kann jedoch auch auf Schwankungen bei der statistischen Auswertung zurückgeführt werden.This deactivates the control for the duration of the switching time of the monostable multivibrator. This can be seen visually by the flashing of a light-emitting diode LED, which is switched via an operational amplifier 0. The maximum current results from: When the control circuit is functional, a light-emitting diode LED connected to ground at the output of the operational amplifier lights up. If the control has not yet started, the light-emitting diode is switched to dark. This provides unambiguous function monitoring of the electronic circuit. 3 shows the electrical design of the control circuit used. By using integrated components, for example quadruple operational amplifiers, the circuit used can be made very small, especially because only low power losses occur. The overall volume of a circuit described based on the clocked current principle is thus much smaller than the circuit using normal series control. By using a frequency for the clock generator which is above 1 kHz, it can also be achieved that depolarization effects which would otherwise lead to a less favorable electrochemical or bacteriological result in the cleaning cells when using alternating currents or pulsed direct currents are avoided. Comparative studies have shown no difference compared to the series control circuits used so far. This should be explained by means of some examples: 1st example: With a current of 300 mA, a cell voltage of 39.4 V and a water conductivity of 431 uS / cm, a pH value of 7.86 and a flow of lo cm3 / No growth of previously used E. coli bacteria was measured. These values refer to an experiment with the new regulated pulse current controller. A control experiment without a pulse current regulator based on the series control principle, with initial values of 300 mA current, 39.4 V voltage, conductivity of 408 pS / cm and a flow rate of lo cm3 / s, likewise resulted in almost 100% killing of the E. coli bacteria previously used . Only 0.16% surviving bacteria were measured here. However, this can also be attributed to fluctuations in the statistical evaluation.

2. Beispiel: Bei 250 mA, 34,3 V und 508 uS/cm, pH-Wert = 7,63 und einem Durchfluß von 20 cm3/s wurde eine überlebensrate der Keime von o,o1% bei Verwendung des Impulsstromreglers gemessen. Im Kontrollversuch mit Serienregler bei den gleichen Parametern wurden ebenfalls weniger als o,ol% Oberlebende ermittelt.2nd example: At 250 mA, 34.3 V and 508 uS / cm, pH value = 7.63 and A flow rate of 20 cm3 / s resulted in a germ survival rate of 0.01% when used of the pulse current controller measured. In the control experiment with series regulator with the same Parameters were also found to have fewer than 0.01% survivors.

Claims

PATENT CLAIMS: 1. Process for the electrical supply of water treatment cells according to the method of anodic oxidation, characterized in that a clocked DC voltage via a regulation with regard to its pulse width and / or pulse height according to the electrotechnical and electrochemical parameters of the cell will.

2. The method according to claim 1, characterized in that predominantly a clock frequency greater than 1 kHz is used.

3. Device for performing the method according to claim 1 and / or 2 characterized in that a square wave generator (R) with a differential amplifier (D), this is connected to a transistor switch (T) whose output (point B) influences the input of the integrating control amplifier (I) and the differential amplifier (Point A) is connected.

4. Device for performing the method according to claim 1 and / or 2 characterized in that the points B and C of the circuit according to claim 3 by means of a monitoring circuit M are connected.

5. Device for performing the method according to claim 1 and / or 2 characterized in that a separate power supply for the square wave generator (R), the differential amplifier (D), the integrating control amplifier (I), the monostable Multivibrator (M) and the operational amplifier (0) is provided.