DE4003193A1 - Verfahren und vorrichtung zur verbesserung der qualitaet von trink- und brauchwaessern - Google Patents

Description

Die Erfindung richtet sich auf ein Verfahren und eine Vor­ richtung zur Verbesserung der Oualität von Trink- und Brauchwässern, insbesondere zur Reduzierung von Schadstof­ fen, wie Härtebildnern, Schwermetallen, Sulfaten, Nitriten, Nitraten und Chloriden.

Die Belastung von Trink- und Brauchwässern mit Schadstoffen ist ein immer bedeutender werdendes Problem, insbesondere dann, wenn beispielsweise die Belastung zu gesundheitlichen Schädigungen oder auch zu Schäden von Anlagen und Geräten in Industrie und Haushalt führen kann. Man ist daher be­ müht, eine Entfernung bzw. Reduzierung dieser Schadstoffe zu erreichen. Dabei besteht ein Problem lediglich als Bei­ spiel darin, im Haushalt zu verbrauchendes Wasch- und Spül­ mittel zu senken, um hier Abwässer mit den Restbestandtei­ len dieser Spül- und Waschmittel nicht zusätzlich zu bela­ sten. So werden beispielsweise in der Bundesrepublik Deutschland jährlich ca. 750 000 t Waschmittel verbraucht. Die Belastung der Abwässer und damit die Belastung der Klär­ anlagen und der Umwelt ist offenkundig.

Dabei ist nur ein geringer Anteil der in den Waschmitteln verwendeten Substanzen waschaktiv. Ein erheblich größerer Anteil dient zur Eliminierung von vorwiegend im Wasser vor­ handenen, die Waschaktivität beeinträchtigenden Inhaltstof­ fen. Besonders störend ist hierbei die Wasserhärte.

Den Einfluß der Wasserhärte auf den Waschmittelbedarf zeigt die nachfolgende Dosierungsempfehlung eines führenden Wasch­ mittelherstellers, z. B. für einen Hauptwaschgang ohne Vor­ wäsche mit 4-5 kg Trockenwäsche:

Maschinenwäsche

Fassungsvermögen 4-5 kg Trockenwäsche

Gelingt es, die Wasserhärte von hart (14-21° dh) auf weich (0-7° dh) zu reduzieren, kann anhand der Grobschätzung lt. o. g. Tafel eine rd. 40%-ige Waschmitteleinsparung erzielt werden.

Neben dem Problem, welches die Waschmittel hervorrufen, liegt eine weitere, sehr wesentliche Problematik in anderen belastenden und gesundheitsschädigenden Stoffen, etwa den Chloriden, Sulfaten, Nitraten, Nitriten und Schwermetallen.

Die besondere Problematik dieser Stoffe sei nachfolgend kurz angegeben:

Härtebildner

Eine große Wasserhärte verschlechtert die Wasserqualität und hat, wie bereits dargestellt, z. B. zur Folge, daß ein größerer Wasch- und Spülmittelverbrauch in den Haushalten erforderlich wird. Außerdem besteht die Gefahr der Schädi­ gung bzw. der Beeinträchtigung von Anlagenkomponenten in Industrie und Haushalt, wie z. B. die Verkalkung von Rohren, Behältern und Heizstäben etc.

Chloride

Chloride mit zu hoher Konzentration in Wässern können unter Umständen Korrosionsprobleme in Industrie- und Haushaltsan­ lagen verursachen.

Ein besonderes Problem ist jedoch die oft besonders hohe Chloridkonzentration in Abwässern der Industrie und im Kraftwerkbereich, z. B. bei den Abwässern von Rauchgasent­ schwefelungsanlagen. Mit einer Begrenzung der Einleitekon­ zentrationen zum Schutz der Umwelt ist hier zu rechnen.

Sulfate

Sulfate in zu hoher Konzentration sind gesundheitsschäd­ lich. Für die Abwässer von Industrie und Kraftwerken gilt Analoges wie für die Chloride.

Nitrate und Nitrite:

Nitrate und Nitrite im Trinkwasser können zu Gesundheits­ schädigungen und zu Umweltbelastungen führen. Die gesetz­ lich vorgeschriebenen Grenzwerte können u. a. aufgrund von Überdüngung durch die Landwirtschaft zur Zeit an vielen Stellen nicht eingehalten werden. Eine Reduzierung der Kon­ zentration ist daher dringend erforderlich.

Schwermetalle

Schwermetalle stellen zum Teil eine ganz besondere Problema­ tik dar, sie belasten Wässer und insbesondere auch Abwässer und sind in der Regel sehr gesundheitsgefährdend und damit im hohen Maße umweltschädlich.

Aufgabe der Erfindung ist daher die Schaffung einer Lösung, mit der die oben genannten Belastungen aus Wässern entfernt werden können, und zwar mit vergleichsweise einfachen Mit­ teln.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß das Wasser durch eine elektrochemische Zelle mit wenigstens einer Anode und einer Kathode geleitet wird, wobei die Ano­ de und die Kathode über einen Potentiostaten steuerbar mit­ einander verbunden sind.

Es hat sich gezeigt, daß mit Hilfe der elektrochemischen Verfahrensweise beispielsweise die Härtebildner an den Ka­ thodenflächen einer elektrochemischen Zelle bei Stromfluß als Carbonate abgeschieden werden, wobei zusätzlich eine für den Waschvorgang vorteilhafte pH-Wert-Änderung des Was­ sers erfolgen kann.

Chloride lassen sich bei Stromfluß aus dem Kathodenraum einer elektrochemischen Zelle entfernen und im Anodenraum aufkonzentrieren, wobei sie an der Anode zu Chlorgas oxi­ diert werden können, welches aus dem Anodenraum entnommen werden kann. Dabei ist der Anodenraum und der Kathodenraum über ein Diaphragma zu trennen.

In gleicher Weise können Sulfate abgeschieden werden, wobei mit Hilfe des hier vorgeschlagenen elektrochemischen Verfah­ rens in einer elektrochemischen Zelle unter Stromfluß aus dem über ein Diaphragma getrennten Kathodenraum die Sulfat- Ionen in den Anodenraum überführt, aufkonzentriert und schließlich als feste Sulfate abgeschieden werden können.

Dies gilt in gleicher Weise für Nitrat- bzw. Nitrit-Ionen, die auch in dem Anodenraum, getrennt vom Kathodenraum über ein Diaphragma aufkonzentrierbar sind, wobei zusätzlich die besonders gefährlichen Nitrit-Ionen an der Anode zu Nitrat-Ionen aufoxidierbar sind, was besonders vorteilhaft bei der hier vorgeschlagenen Verfahrensweise ist.

Es hat sich gezeigt, daß gerade auch Schwermetall-Ionen als Metall oder Metalloxid an der Kathode abgeschieden werden können, was ebenfalls zu deren Entfernung aus den behan­ delten Wässern führt.

Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Unteransprüchen, wobei zur Lösung der erfindungsgemäßen Auf­ gabe auch eine elektrochemische Zelle vorgesehen ist, die sich dadurch auszeichnet, daß das Gehäuse mit einem von der Anode durchsetzten Dom ausgerüstet ist und Leitelemente zur Strömungsbestimmung des durchströmenden Wassers durch eine die Anode umgebende gitterförmige Kathode aufweist, wobei zwischen Anode und Kathode eine potentiostatische Steue­ rungseinheit vorgesehen ist.

Ausgestaltungen der Zelle sind in weiteren Ansprüchen ange­ geben, wobei erfindungsgemäß auch vorgesehen sein kann, daß bei einer Gesamteinrichtung unter Zuhilfenahme derartiger Zellen wenigstens drei derartige Zellen im Wasserdurchlauf kaskadenförmig vorgesehen sind mit einer Zelle zur Bereit­ stellung behandelten Wassers, einer weiteren Zelle zur Durchführung der Behandlung des Wassers sowie einer weite­ ren Zelle zur Regenierung der Elektroden in jeweils wech­ selnder Bereitschaltung zum angeschlossenen Verbraucher.

Diese letzte Maßnahme hat den Vorteil, daß immer ein ausrei­ chend großes Wasservolumen für den Verbraucher zur Verfü­ gung steht, welches in der hier beschriebenen Weise elektro­ chemisch behandelt ist, d. h. im wesentlichen schadstoffrei bzw. schadstoffarm ist.

Die Erfindung ist nachstehend anhand der Zeichnung bei­ spielsweise näher erläutert. Diese zeigt in vereinfachter Darstellung drei Ausführungsvarianten einer hier betroffe­ nen elektrochemischen Zelle in den Fig. 1 bis 3.

In Fig. 1 ist als Beispiel eine elektrochemische Zelle, all­ gemein mit 1 bezeichnet, dargestellt, die zur Entfernung von Chloriden, Sulfaten, Nitriten und Nitraten eingesetzt werden soll, jedoch auch für die Abscheidung von Schwerme­ tallen und Härtebildnern geeignet ist. Das mit 2 bezeichne­ te Gehäuse der Zelle 1 weist einen Wassereintrittsstutzen 3, einen Wasseraustrittsstutzen 4, eine innen liegende, mit (+) bezeichnete Anode 5, eine im wesentlichen gitterförmi­ ge, mit (-) bezeichnete Kathode 6, die die Anode 5 konzen­ trisch umgibt, sowie ein röhrenförmiges, die Anode 5 umge­ bendes Diaphragma 7, auf. Im Bereich des mit 8 bezeichneten Domes der Zelle 1 sind Wasserleitelemente 9 vorgesehen, die für eine Wasserströmung gemäß der Pfeile in Fig. 1 sorgen. Der vom Diaphragma innen gebildete Anodenraum ist in Fig. 1 mit 10 bezeichnet, der innen liegende Kathodenraum zwischen Diaphragma 7 und Kathode 6 ist in Fig. 1 mit 11 bezeichnet.

Auf der Unterseite ist der Anodenraum 10 mit einem Ausfluß 12 ausgerüstet, der Kathodenraum 11 mit einem Auslaß 13, ein oben im Dom 8 angeordneter Auslaß z. B. für Gase, wie Chlor, ist mit 14 bezeichnet.

Strichpunktiert ist dargestellt, daß die Anode 5 und die Ka­ thode 6 mit einer Steuereinheit 15 versehen sind, wobei die Steuereinheit einen mit 16 angedeuteten Potentiostaten ent­ hält.

Die Wirkungsweise ist dabei die folgende:
Die elektrochemische Zelle 1 wird über den Wassereintritts­ stutzen 3 geflutet, die Steuerung über den Potentiostaten zwischen Anode und Kathode wird eingeschaltet, so daß sich im Anodenraum 10 Sulfate und Chloride aufkonzentrieren und ansammeln, diese können dann über den Stutzen 12 bzw. gas­ förmig über den Stutzen 14 abgeführt werden. In gleicher Weise konzentrieren sich Nitrite und Nitrate auf, wobei das Nitrit, wie weiter oben schon beschrieben, im Anodenraum zu Nitrat aufoxidierbar ist. Eine Reinigung kann durch entspre­ chendes Spülen, sei es des Anodenraumes oder der Gesamtzel­ le, erfolgen, wobei die z. B. durch Härtebildner belegten Kathodenflächen durch Spülen des Kathodenraumes gereinigt oder aber ausgetauscht werden können. An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, daß auch eine Umsteuerung vorgenommen werden kann, indem wenigstens kurzzeitig die Anode zur Kathode geschaltet wird und die Kathode als Anode.

In Fig. 2 ist ein abgewandeltes Beispiel dargestellt. Hier ist das Diaphragma 7a unten geschlossen und der Auslaßstut­ zen 14a kann als Entgasungsstutzen genutzt werden, etwa bei der Entstehung von Chlor. Ansonsten ist die Aufteilung die­ selbe.

Die Fig. 3 zeigt die Möglichkeit, z. B. wenn es nur auf die Abscheidung von Härtebildnern ankommt, den Wassereintritts­ stutzen 3b und den Wasseraustrittsstutzen 4b in der Schal­ tung umzudrehen, derart, daß die Kathode 7b von innen durch­ strömt wird. Eine sich auf der Innenseite sammelnde Kalkab­ lagerung kann durch Ausspülen bzw. Umpolen abgelöst oder die Kathoden können ausgetauscht werden.

Schließlich zeigt Fig. 4 die Möglichkeit, alle Elemente der elektrochemischen Zelle in einen Kessel, dort allgemein mit 17 bezeichnet, einzubauen. Diese Möglichkeit ist dort nur andeutungsweise wiedergegeben.

Ein Kern der beschriebenen Verfahrensweise besteht darin, ein elektrochemisches Behandlungsverfahren für die Verbesse­ rung der Qualität von Trink- und Brauchwässern anzuwenden, derart, daß über potentiostatische Steuerungen Anoden- bzw. Kathodenreaktionen im Wasser gezielt ausgelöst werden, um Härtebildner auszuschalten oder aber andere Schad- und Bal­ laststoffe, wie dies eingangs beschrieben ist.

Besonders vorteilhaft ist ein Verfahren, bei welchem die elektrische Regelung intervallartig erfolgt und die zwi­ schen der Anode und Kathode angeordnete Stromquelle potentiostatisch arbeitet, wobei als Bezugselektrode die Anode in den nicht strombeaufschlagten Abschaltintervallen herangezogen wird.

Natürlich sind die beschriebenen Ausführungsbeispiele noch in vielfacher Hinsicht abzuändern. So können beispielsweise unterschiedlich gestaltete oder auch identisch gestaltete elektrochemische Zellen 1, 1a bzw. 1b parallel oder in Rei­ he oder kaskadenartig zu einer Funktionseinheit zusammenge­ faßt werden, etwa in der Weise, daß eine der Zellen behan­ deltes Wasser als Reservoir bereithält, in einer weiteren Zelle eine Wasserbehandlung erfolgt und schließlich die je­ weils freie dritte Zelle zur Regeneration von Anode bzw. Ka­ thode zur Verfügung steht.

Claims (10)

1. Verfahren zur Verbesserung der Qualität von Trink- und Brauchwässern, insbesondere zur Reduzierung von Schadstof­ fen, wie Härtebildnern, Schwermetallen, Sulfaten, Nitriten, Nitraten und Chloriden, dadurch gekennzeichnet, daß das Wasser durch eine elektrochemische Zelle mit wenig­ stens einer inerten Anode und einer Kathode geleitet wird, wobei die Anode und die Kathode über einen Potentiostaten steuerbar miteinander verbunden sind.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die potentiostatische Regelung intervallartig durch Ein- und Abschalten erfolgt, wobei in den Abschaltphasen die Anode als Bezugselektrode zur Potentialmessung und die zwischen Bezugselektrode und Kathode gemessene Potentialdif­ ferenz zur Regelung des in der Einschaltphase benötigten Stromes herangezogen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, daß das Wasser durch wenigstens zwei hintereinander liegen­ de ggf. geringfügig unterschiedlich gestaltete elektrochemi­ sche Zellen geleitet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Wasser durch eine elektrochemische Zelle mit innen­ liegender Anode und eine diese etwa zylindrisch umgebende Kathode geleitet wird, wobei das gesamte zu behandelnde Was­ servolumen die Kathode durchströmt.

5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Wasser durch eine elektrochemische Zelle geleitet wird mit einer über ein Diaphragma gegenüber dem Kathoden­ raum abgeschirmten Anode.

6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Anode aus platiniertem Titan oder rutheniumoxidbe­ schichtetem Titan und einem Diaphragma aus Keramik, Kunst­ stoff oder einem Ionenaustauschermaterial eingesetzt wer­ den.

7. Elektrochemische Zelle insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche mit einem Wassereintrittsstutzen und einem Wasseraustrittsstutzen so­ wie einem die Zelle umgebenden Gehäuse, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (1) mit einem von der Anode (5) durchsetz­ ten Dom ausgerüstet ist und Leitelemente (9) zur Strömungs­ bestimmung des durchströmenden Wassers durch eine die Anode (5) umgebenden Kathode (6) aufweist, wobei zwischen Anode und Kathode eine potentiostatische Steuerungseinheit (15, 16) vorgesehen ist.

8. Zelle nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Anode (5) zentrisch angeordnet mit einer konzen­ trisch dazu die Anode im Abstand umgebenden Kathode (6) mit wenigstens einem dem Dom (8) in Schwerkraftsrichtung unten gegenüberliegenden Auslaufstutzen (12, 12a, 12b).

9. Zelle nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein die Anode (5) umgebenden Diaphragma (7) vorgesehen ist zur Bildung eines Anodenraumes (10) und eines über das Diaphragma davon getrennten Kathodenraumes (11), wobei so­ wohl der Anodenraum (10) als auch der Kathodenraum (11) mit einem Ab- oder Austrittsstutzen (12, 13) versehen sind.

10. Einrichtung insbesondere zur Durchführung des Verfahrens zum Einsatz elektrochemischer Zellen nach einem der vorange­ henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens drei elektrochemische Zellen (1, 1a, 1b) im Wasserdurchlauf kaskadenförmig vorgesehen sind mit einer Zelle zur Bereitstellung behandelten Wassers, einer weite­ ren Zelle zur Durchführung der Behandlung des Wassers sowie einer weiteren Zelle zur Regenierung der Elektroden in je­ weils wechselnder Bereitschaltung zum angeschlossenen Ver­ braucher.