DE3640881A1 - Verfahren und vorrichtung zur wasserenthaertung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regeneration des Ionenaus­ tauschers einer Wasserenthärtungsanlage mittels eines Elektrolyten, eine Weiterbildung des Verfahrens für den Einsatz in der Wasserenthärtungs­ anlage einer Wasch- oder Geschirrspülmaschine sowie eine Vorrichtung zum Einsatz des Verfahrens.

Wasserenthärtung ist unter anderem für das Wasch- und Geschirrspülma­ schinen zugeführte Wasser erforderlich, um die Inkrustration auf Wäsche­ stücken sowie Ablagerungen auf dem Geschirr zu verhindern. Solche Ablage­ rungen wirken sich auch negativ auf die eingesetzten Materialien, vor allem den Heizstab, aus.

Härtebildner, wie Magnesium- oder Calciumverbindungen, beeinflussen auf diese Weise sowie durch die Bildung entsprechender Salze aus Tensiden das Wasch- bzw. Spülergebnis.

Zur Vermeidung solcher Nachteile enthalten Haushaltswaschmittel für Textilien einen mehr oder minder großen Anteil an Komplexbildnern, die das Waschwasser je nach Einsatz im Vor- und/oder Hauptwaschgang enthärten.

Nachteilig ist dabei, daß die Waschmittelrezepturen in der Regel auf eine mittlere Härte von 2,6 m mal Ca-Ionen/l ausgelegt sind. Bei weichem Wasser, d. h. geringer Waschmitteldosierung, liegen daher die wasch­ aktiven Substanzen in einer zu geringen Konzentration vor, um in jedem Fall ein optimales Waschergebnis garantieren zu können. Bei hartem Wasser ist eine entsprechend höhere Waschmitteldosierung erforderlich, dann sind die waschaktiven Substanzen (Tenside, Bleichmittel und anderes) in einer zu hohen Konzentration vorhanden, so daß ein beträchtlicher Anteil der Waschmittelinhaltsstoffe ungenutzt in das Abwasser gelangt.

Bei Haushaltsgeschirrspülern wird zumindest der letzte Spülgang mit enthärtetem Wasser durchgeführt, um die Antrocknung von Salzen auf dem Geschirr zu vermeiden.

Zur Wasseraufbereitung gibt es sowohl im großtechnischen als auch im kleineren Maßstab mehrere Verfahren, die schon seit längerem bei unter­ schiedlichen Anwendungen mit Erfolg betrieben werden. Heben dem tech­ nischen Verfahren der Destillation sind dies vor allem Ionenaustausch­ und Membranverfahren (Elektrodialyse, Elektroosmose, Umkehrosmose u. a.). Für Wasch- und Spülgeräte wurden bisher nur Ionenaustauscher zum Ent­ härten eingesetzt, und zwar in Geschirrspülmaschinen, auch bei Haus­ haltsgeräten, in Waschmaschinen jedoch nur bei gewerblichen Geräten. Die Waschmittel für Haushalt und Industrie unterscheiden sich daher in ihrer Zusammensetzung deutlich. Während Industriewaschmittel nur zwischen 10 und 15% Komplexbildner (überwiegend Phosphate bzw. Silikate) ent­ halten, liegt deren Anteil bei Haushaltswaschmittel bei ungefähr 30%. Der Grund liegt darin, daß Haushaltswaschmaschinen über keine Ionenaus­ tauscher verfügen und die Komplexbildner zusätzlich zur Unterstützung des Waschprozeßes die Härtebildner binden müssen.

Ionenaustauscher haben jedoch den Nachteil, daß sie nach der Ionenauf­ nahme, also nach der Wasserenthärtung, regeneriert werden müssen (Römpp, Chemie-Lexikon, S. 1616, Stichwort "Ionenaustauscher").

Aus "Analytische Anwendungen von Ionenaustauschern" von Dr.-Ing. Janos Incz´dy, Budapest 1964, sind Regenerationsverfahren bekannt, bei denen die Entfernung der Ionen aus dem Ionenaustauscher mittels Säuren oder Lö­ sungen, z. B. Kochsalzlösung, erfolgt. Aus der EP 01 90 675 A2 ist eine Vorrichtung bekannt, die auf der Regeneration mittels Kochsalzlösung basiert.

Bei dem bekannten Verfahren und Vorrichtungen ist es jedoch erforderlich, daß ständig neue Elektrolytflüssigkeit oder neues Salz zugesetzt werden muß. Bei Haushaltsgeräten ist meist ein Ionenaustauscherharz vorhanden, das nach einer vorgegebenen Betriebsdauer vom Kochsalz eines Bunkers regeneriert werden muß.

Das ständige Nachfüllen von Salz wird nicht nur als lästig empfunden, sondern es führt auch zu einer nicht unbeträchtlichen Salzbelastung der Abwässer. Außerdem erfordert die hohe Kochsalzkonzentration den Einsatz von korrosionsresistentem Material, was zu einer Verteuerung der Geräte führt.

Der Grund, warum Ionenaustauscher dieser Art bei Haushaltswaschmaschinen bisher noch nicht üblich sind, liegt auch daran, daß im Gegensatz zu Ge­ schirrspülmaschinen die Funktionsfähigkeit der Enthärtungsanlage nicht un­ mittelbar am Reinigungsergebnis überprüft werden kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das aus "Analytische Anwendung von Ionenaustauschern", S. 83 f. bekannte Regenerationsverfahren derart weiterzuentwickeln, daß die Regeneration des Ionenaustauschers nicht mehr mittels zugesetztem Elektrolyt erfolgen muß.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Elektrolyt durch eine elektrochemische Reaktion im Betriebswasser der Wasserenthärtungs­ anlage hergestellt wird.

Zusätzlich liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, das erfindungsgemäße Regenerationsverfahren für den Einsatz bei Wasch- und Geschirrspülver­ fahren derart weiterzubilden, daß keine zusätzliche Entsorgung von mit Härtebildnern angereichertem Wasser erforderlich ist.

Die zusätzliche Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß bei Wasch- und Geschirrspülmaschinen die Entfernung von Härtebildnern aus dem zugeführten Wasser durch Ionenaustausch bei den Programmschritten der Arbeitsprogramme vorgenommen wird, bei denen der Wasch- bzw. Spülprozeß ein Wasser ohne Härtebildner erfordert, daß anschließend die Regeneration des Ionenaustauschers stattfindet, daß das mit dem Härtebildnern ange­ reicherte Wasser in der Enthärtungsanlage gespeichert und der Wasserzufuhr jener Verfahrensschritte wieder zugesetzt wird, bei denen die Härtebildner unschädlich sind.

Zweckmäßige Ausgestaltungen sowie Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Neben der Vermeidung der Nachteile der bekannten Verfahren zur Wasserent­ härtung hat die Erfindung folgende Vorteile:

Die automatische Regenerierung der Enthärtungsanlage schließt eine Fehl­ bedienung aus. Ebenso ist eine Kontrolle des Beladungszustandes - wie z. B. bei herkömmlichen Ionenaustauschern - nicht nötig, so daß der tech­ nische Aufwand zum Betrieb der Enthärtungsanlage deutlich geringer ist. Die Waschergebnisse werden verbessert sowie der Waschmittelverbrauch ver­ ringert, da die Waschmitteldosierung unabhängig von der Wasserhärte er­ folgen kann und nicht, wie bisher, ein härteres Wasser mehr Waschmittel erfordert. Beim Waschen von Textilien werden die Komplexbildner (Phos­ phate, Silikate oder ähnlichem) sowie die waschaktiven Substanzen voll genutzt und gelangen nicht mehr ungenutzt in das Abwasser.
Bei Geschirrspülern kann die Regenerierung der Enthärtungsanlage mit Koch­ salz entfallen, so daß die Salzlast der Abwässer verringert wird.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Wasserenthärtung in Waschmaschinen kann so eingestellt werden, daß das Betriebswasser eine Härte von 2,6 m mol Ca-Ionen/l aufweist und damit optimal mit den derzeitigen Waschmittel­ rezepturen in Einklang steht. Es ist jedoch auch eine weitere Reduktion der Härtebildner möglich, was den Einsatz umweltfreundlicher Weichwasser­ waschmittel erlaubt.

Die Erfindung beruht darauf, daß ein Elektrolyt zur Regenerierung des Ionenaustauschers mittels einer elektrochemischen Reaktion an Ort und Stelle erzeugt werden kann. Mittels einer elektrochemischen Zelle, die entweder mit der Enthärtungsanlage so in Verbindung steht, daß ein Be­ triebswasseraustausch stattfindet, oder die in die Enthärtungsanlage integriert ist, werden durch elektrolytische Reaktion Wasserstoffionen erzeugt, wodurch der pH-Wert abgesenkt wird. (Bekannt aus Lehrbuch der Physik von Wilhelm H. Westphal, 1956, S. 332 f) Die so entstehende saure Lösung löst in bekannter Weise die in dem Ionenaustauscher gebundenen Ionen heraus. Es entsteht in der Enthärtungsanlage ein mit Härtebildnern angereichertes Wasser.

Der Lösung des Entsorgungsproblems dieses mit Härtebildnern angereicherten Wassers lag folgende Erkenntnis zugrunde:

Die beobachteten Nachteile der Härtebildner im Betriebswasser wirken sich immer nur in einem Teil des Wasch- bzw. Spülprogramms aus. In der Wasch­ maschine betrifft dies im wesentlichen die Programmstufen Vorwäsche, Hauptwäsche und Abkühlphase, eventuell auch noch den ersten Spülgang. Bei den weiteren Spülschritten kann ein erhöhter Anteil von Härtebildnern sogar von Vorteil sein. Im Geschirrspüler stören die Härtebildner vor allem beim Reinigungsvorgang und Klarspülen.

Hiervon ausgehend müssen die Härtebildner, also die Calcium- und Magne­ siumsalze, immer nur bei bestimmten Programmschritten des Reinigungspro­ gramms entfernt werden. Zu einem späteren Zeitpunkt kann die Entsorgung dadurch erfolgen, daß die Härtebildner während solcher Programmschritte wieder zugegeben werden, bei denen sie unschädlich oder sogar nützlich sind.

Die Vorrichtung wird anhand eines in der Figur schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert.

Die dargestellte Vorrichtung zur Wasserenthärtung kann sowohl in eine Geschirrspül- als auch in eine Waschmaschine eingesetzt werden.

Der Wasserzufluß 2 führt zu einer Verzweigungsstelle 3, von der eine Leitung zu einem Ventil 4 und eine andere Leitung zu einer Wasserenthär­ tungsanlage 1 führt. Das Ventil 4 ist mit einer Leitung 5 verbunden, die in den Wasch- bzw. Spülmittelbehälter 6, der in verschiedene Kammern unterteilt ist, mündet. In die Wasserenthärtungsanlage 1 ist die elektro­ chemische Zelle - zur Erzeugung der die Regeneration des Ionenaustauschers bewirkenden sauren Lösung - integriert. Von der Wasserenthärtungsanlage 1 führt eine Leitung zu einem Ventil 7, das wahlweise zu einer Leitung 8 oder 9 öffnen oder zu beiden Leitungen schließen kann. Die Leitung 8 ist mit der Leitung 5 und die Leitung 9 ist mit der Leitung 10 verbunden. Die Leitung 10 führt von dem Wasch- bzw. Spülmittelvorratsgefäß 6 zu dem Reinigungsraum, also dem Geschirraum oder dem Laugenbehälter der Wäsche­ trommel.

Es gibt drei Möglichkeiten der Wasserzufuhr:

• 1. Ventil 4 geschlossen und Ventil 7 zur Leitung 8 geöffnet. Der Wasserzu­ fluß strömt durch die Enthärtungsanlage 1 zum Wasch- bzw. Spülmittel­ vorratsraum 6. Eine solche Schaltung dient der Zufuhr enthärteten und, sofern im Wasch- bzw. Spülmittelvorratsraum vorhanden, mit Spül- bzw. Waschmittel versehenen Wassers. Dies sind bei der Waschmaschine die Vor- und Hauptwäsche bei der Geschirrspülmaschine der Reinigungsvor­ gang.
• 2. Ventil 4 geöffnet und Ventil 7 zu beiden Richtungen 8 und 9 geschlos­ sen. Auf diese Weise kann unbehandeltes Wasser zugeführt werden.
• 3. Ventil 4 geschlossen und Ventil 7 zur Leitung 9 geöffnet. Diese Schal­ tung dient zur Zugabe des in der Enthärtungsanlage 1 vorhandenen mit Härtebildnern angereicherten Wassers, das direkt der Leitung 10 zuge­ führt werden kann, da bei solchen Programmschritten kein Wasch- bzw. Spülmittel zugegeben wird so bei Spülgängen der Waschmaschine oder dem Vorspülen bzw. Zwischenspülen der Geschirrspülmaschine. Vor diesen Programmschritten wurde die elektrochemische Zelle betrieben, daß es zur Regeneration des Ionenaustauschers kam und sich das mit Härte­ bildnern angereicherte Wasser in der Enthärtungsanlage 1 angesammelt hat.

Claims (18)

1. Verfahren zur Regeneration des Ionenaustauschers einer Wasserent­ härtungsanlage mittels eines Elektrolyten, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektrolyt durch eine elektrochemische Reaktion im Be­ triebswasser der Wasserenthärtungsanlage hergestellt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch die elektrochemische Reaktion eine saure Lösung erzeugt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei Wasch- und Geschirrspülmaschinen die Entfernung von Härte­ bildnern aus dem zugeführten Wasser durch Ionenaustausch bei den Programmschritten der Arbeitsprogramme vorgenommen wird, bei denen der Wasch- bzw. Spülprozeß ein Wasser ohne Härtebildner er­ fordert, daß anschließend die Regeneration des Ionenaustauschers stattfindet, daß das mit den Härtebildnern angereicherte Wasser in der Enthärtungsanlage gespeichert und der Wasserzufuhr jener Verfahrensschritte wieder zugesetzt wird, bei denen die Härte­ bildner unschädlich sind.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei Waschmaschinen die Härtebildner bei der Wasserzufuhr für den Hauptwaschgang und, soweit vorgesehen, für die Abkühlphase entfernt werden und bei der Wasserzufuhr von Spülgängen wieder zugesetzt werden.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Entfernung der Härtebildner auch bei der Wasserzufuhr für den Vorwaschgang und/oder für den ersten Spülgang stattfindet.

6. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei Geschirrspülmaschinen die Härtebildner bei der Wasserzu­ fuhr für den Reinigungsvorgang entfernt werden und bei der Wasser­ zufuhr für die Zwischenspülungen wieder zugesetzt werden.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Entfernung der Härtebildner auch bei der Wasserzufuhr für das Klarspülen stattfindet.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusetzung der Härtebildner bei der Wasserzufuhr für das Vorspülen stattfindet.

9. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der An­ sprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrochemische Reaktion in einer elektrochemischen Zelle stattfindet, welche mit der Enthärtungsanlage so in Verbindung steht, daß ein Betriebswasseraustausch stattfindet.

10. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der An­ sprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrochemische Reaktion mittels einer in die Enthär­ tungsanlage integrierten elektrochemischen Zelle stattfindet.

11. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der An­ sprüche 1 bis 10 zur Wasserenthärtung in einer Geschirrspül- oder Waschmaschine, dadurch gekennzeichnet, daß ein Wasserzufluß (2) eine Verzweigung (3) aufweist wobei eine Leitung zu einem Ventil (4) und eine andere Leitung zur Wasserent­ härtungsanlage (1) führt, daß von Ventil (4) eine Leitung (5) in den Wasch- bzw. Spülmittelbehälter (6) mündet, daß der Ausgang der Wasserenthärtungsanlage (1) zu einem 3-Wege-Ventil (7) führt, welches über eine Leitung (8) mit der Leitung (5) und über einer Leitung (9) mit einer Leitung (10) verbunden ist und daß die Leitung (10) den Wasch- bzw. Spülmittelbehälter (6) mit dem Wäsche- oder Geschirraum der Wasch- bzw. Spülmaschine verbindet.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß für eine Waschmaschine bei der Wasserzufuhr für die Haupt­ wäsche und, soweit vorgesehen, für die Vorwäsche das Ventil (4) geschlossen, das Ventil (7) zur Leitung (8) geöffnet und zur Leitung (9) geschlossen ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Wasserzufuhr für den ersten Spülgang das Ventil (4) eschlossen, das Ventil (7) zur Leitung (9) geöffnet und zur Leitung (8) geschlossen ist.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Wasserzufuhr zu allen anderen Spülschritten eines Spülprogramms das Ventil (4) geschlossen und das Ventil (7) zur Leitung (9) geöffnet und zur Leitung (8) geschlossen ist.

15. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß für eine Spülmaschine bei der Wasserzufuhr für den Reinigungs­ vorgang das Ventil (4) geschlossen, das Ventil (7) zur Leitung (8) geöffnet und zur Leitung (9) geschlossen ist.

16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß auch bei der Wasserzufuhr für das Klarspülen das Ventil (4) geschlossen, das Ventil (7) zur Leitung (8) geöffnet und zur Leitung (9) geschlossen ist.

17. Vorrichtung nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Wasserzufuhr für die Zwischenspülungen das Ventil (4) geschlossen, das Ventil (7) zur Leitung (9) geöffnet und zur Leitung (8) geschlossen ist.

18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Wasserzufuhr für das Vorspülen das Ventil (4) ge­ schlossen, das Ventil (7) zur Leitung (9) geöffnet und zur Lei­ tung (8) geschlossen ist.