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GEBIET DER VORLIEGENDEN ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein elektrochemisches sterilisierendes
oder bakteriostatisches Verfahren für Legionellenbakterien mit
guter Wirksamkeit.
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BESCHREIBUNG DES STANDES DER
TECHNIK
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In
den letzten Jahren waren infektiöse
Krankheiten, die durch das Legionellenbakterium ausgelöst wurden,
ein soziales Problem. Legionellenbakterien sind weit verbreitet
in der Natur zu finden, wie in der Erde, den Flüsse und de Seen und den Sümpfen und
vermehren sich unter Verwendung der Metabolismen anderer Bakterien
oder Algen oder leben auf Amöben
oder anderen Bakterien parasitären
Protozoen. Durch das einsaugen von Aerosolen (feinen Wassertröpfchen),
die aus künstlichem
Wasser erzeugt werden und mit den Legionellenbakterien verunreinigt
sind, werden menschliche Körper
mit den Legionellenbakterien infiziert. Beispiele der Geräte, welche
entsprechende Aerosole erzeugen können, umfassen Kühltürme für die Klimaanlage,
Geräte
für die
zirkulierende Warmwasserzubereitung, Befeuchtungsanlagen und dekorative
Brunnen.
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Obwohl
in die Kühltürme für die Klimaanlagen,
nur eine geringe Menge Wasser ergänzt werden muss, wird der größere Teil
des Kühlwassers
zirkuliert und verwendet. Demzufolge ist, wenn die Reinigung und
der Flüssigkeitsaustausch
nicht periodisch durchgeführt
werden, die Verbreitung der Legionellenbakterien unvermeidbar. Wenn
bei dem zuzuführenden
heißen
Wasser die Heißwasserzufuhrtemperatur
auf einer hohen Temperatur von wenigstens 55 °C gehalten werden kann, ist
es möglich
die Ausbreitung der Legionellenbakterien zu vermeiden. In den letzten
Jahren, wurde jedoch die Temperatur der Heißwasserzufuhr aus Gründen des
Energiesparens, der Stabilität
und Bequemlichkeit, jedoch verringert. Es besteht daher die Befürchtung,
dass sich die Legionellenbakterien in dem zuzuführenden heißen Wasser verbreiten.
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Beispiele
der Umgebung, in der es jede Möglichkeit
gibt, dass Aerosole erzeugt werden, umfassen das Wasser von Brunnen
und Wasserfällen
(Gattungsname: Wasser für
die Landschaft), die in Parkanlagen oder offenen Plätzen, Höfen oder
dem Inneren von Gebäuden
und dergleichen bereitgestellt werden. Als eine Verbindung in der
Kette der wirksamen Verwendung der Wasserreserven wird regeneriertes
Wasser, erhalten durch stark behandeltes Regenwasser oder aus behandeltem
Abwasser resultierendes Wasser etc., für diesen Zweck verwendet und die
Gefahr von Infektionen wird groß.
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Ein
wärmeisolierendes
Zirkulationsbad, das sogenannte „24-hour bath", vermehrt Mikroorganismen
wirksam zur Reinigung auf einem Filtermedium und unterdrückt suspendierte
Substanzen durch das Filtermedium und reinigt das Wasser in dem
Bad in dem die räuberische
und durch Oxidation zersetzende Funktionen dieser Mikroorganismen
eingesetzt wird. Das Wasser in dem Bad, welches durch solch ein
Reinigungssystem gereinigt wurde, kann „allgemeine Bakterien" und „Kolibakterien" als ein Index der
Mikroorganismusverunreinigung des Wassers reduzieren, im Vergleich
mit dem Trinkwasser. Es ist jedoch bekannt, dass sich das Legionellenbakterium verbreitet,
wenn organische Materialien eingesetzt werden oder andere Mikroorganismen
in dem Filtermedium in dem Reinigungssystem gefangen werden.
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Wie
zuvor beschrieben, nimmt die Gelegenheit der Infektionen durch Legionellenbakterien
in den normalen Umgebungen zu. Demzufolge werden Maßnahmen
unternommen, um ein Sterilisieren oder eine bakteriostatische Behandlung
sicher und bestimmt für
menschliche Körper,
die in dem Gebiet vorhanden sind, durchzuführen. Obwohl die Sterilisation
durch ultraviolette Strahlen und Fotokatalysatoren im Hinblick auf
das Erhalten der Wasserqualität bedeutungsvoll
ist, ist ein häufiger
Austausch oder Reparaturen einer Lampe notwendig, und ist daher nicht
wirtschaftlich. Obwohl das Ozoneinspritzverfahren solch einen Vorteil
umfasst, dass es keine Erzeugung oder Beibehaltung von Zersetzungsprodukten umfasst,
da Ozon ein Gas ist, erfordert dieses Verfahren, dass es mit Geräten durchgeführt wird,
bei welchen die Sicherheit für
menschliche Körper
ernsthaft in Betracht gezogen werden muss, und wird selten verallgemeinert.
Das Zugabeverfahren von Bakteriziden, wie Metallionen, wird vorgeschlagen,
kann jedoch möglicherweise
zu einer neuen Umweltverschmutzung führen.
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Das
Sterilisationsverfahren, welches die Oxidationsreaktion durch ein
Hypochlorsäureion
verwendet, wurde bisher weit verbreitet verwendet. Zum Beispiel
beschreibt die
JP-A-2002-248478 ,
dass es bevorzugt ist, ein Hypochlorsäureion zuzugeben, so dass die
restliche Chlorkonzentration zwischen 0,1 bis 3 ppm beträgt, vorzugsweise
zwischen 0,5 bis 2 ppm. Es trat jedoch ein Sicherheitsproblem auf,
das die schädliche
und gefährliche
Hypochlorsäure
befördert
und an dem Behandlungsort gelagert werden muss. Des Weiteren besteht
die Möglichkeit,
dass sich während
des Reaktionsschritt der Hypochlorsäure und eines organischen Materials
schädliche organische
Chlorverbindungen bilden, dargestellt durch Trihalomethane, und
die übermäßige Zugabe kann
möglicherweise
eine sekundäre
Verunreinigung bewirken, so dass die Einflüsse für den menschlichen Körper oder
die Leitungen der Einrichtungen problematisch sind.
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Als
ein Verbesserungssystem zum Einsatz der vorgenannten wirksamen Chlorbestandteile
wird ein Elektrolysesystem vorgeschlagen. Ein Verfahren, bei welchem
eine Spurenmenge eines Salzes zu dem zirkulierenden Wasser zugegeben
und die Mischung elektrolysiert wird, ein Hypochlorsäureion gebildet
wird, und dessen Sterilisationswirkung eingesetzt wird, ist offenbart
(siehe
JP-A-11-319840 ).
Des Weiteren offenbart
JP-A-2002-89895 die
elektrolytische Sterilisation von Befeuchtern; und
JP-A-2002-70944 ,
JP-A-11-179364 ,
JP-A-11-90129 und
JP-A-11-10157 offenbaren
ein Elektrolysesystem, als eine zirkulierende Reinigungseinrichtung von
Wasser für
Bäder.
Des Weiteren offenbaren
JP-A-8-117757 ,
JP-A-7-108273 und
JP-A-8-126889 ein
Sterilisationsverfahren von Legionellenbakterien hauptsächlich in
Kühltürmen.
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Es
ist bekannt, dass bei der Oxidationsreaktion an der Anode Oxidationsmittel
(z. B. wirksam Chlor und Ozon), welche zur Behandlung von Wasser
wirksam sind, gebildet werden, und dass aktiven Keime, wie OH-Radikale,
zum Teil erzeugt werden. Wasser, welches solche Materialien enthält, wird
mit den Namen aktives Wasser, funktionelles Wasser, Ionenwasser,
steriles Wasser etc. verallgemeinert (Kyosansei Denkaisui no Kisochishiki,
Ohmsa, Ltd. 1997). In jüngster
Zeit wird elektrolytisches saures Wasser als ein desinfizierendes
Wasser mit einer Sterilisationsfähigkeit
von dem Ministry of Health, Labour and Welfare anerkannt („Hypochlorsäurewasser" als ein Begriff,
welcher als ein Nahrungsmittelzusatz unter dem Food Sanitation Law
(revised) anerkannt ist, Bulletin Nr. 212 des Ministry of Health,
Labour and Welfare vom 10. Juni 2002) und wird allgemein als Wasser
für die
Reinigung von Krankenhäusern
und Nahrungsmittelfabriken verwendet. Es wurde nunmehr berichtet,
dass das elektrolytische saure Wasser eine sterilisierende Wirkung
gegen Legionellenbakterien besitzt.
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In
diesen Elektrolysesystemen ist es notwendig, ein Material auszuwählen, welches
eine Beständigkeit
in der praktischen Verwendung besitzt und welches keine sekundäre Verunreinigung
durch Eluierung aufweist, etc, wie die Anode. Beispiele der Anoden,
welche ausgewählt
werden können,
umfassen Bleioxid, Zinnoxid, Platin, DSA und Kohlenstoff. Eine Bleioxidanode
kann jedoch möglicherweise
zum Zeitpunkt des Unterbrechens der Elektrolyse eluieren, und eine
Zinnoxidelektrode gerät
in den passiven Zustand, insbesondere an der Zwischenfläche eines Substrates
aus dieser, und daher wird sie über
einen langen Zeitraum kaum verwendet. Da des Weiteren Kohlenstoff
oxidiert und verbraucht wird, wird er kaum über einen langen Zeitraum verwendet.
Demzufolge ist die praktisch geeignete Anode nur eine Platinelektrode
oder edelmetallbeschichtete metallische Elektrode, dargestellt durch
DSA.
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Da
die Reaktion zur Erzeugung von Sauerstoff aus Wasser vorzugsweise
in dem Bereich einer kleinen Chlorionenkonzentration stattfindet,
so dass die Reaktion zur Bildung von Chlorgas kaum fortschreitet,
war jedoch auch bei diesen Anoden notwendig, wirksames Chlor und
dergleichen zu erzeugen, indem ein überschüssiges Chloridion und ein elektrischer
Strom zugeführt
wurde. Eine Zunahme des elektrischen Stromes war problematisch im
Hinblick auf die Wirtschaftlichkeit der elektrolytischen Einrichtung.
Des Weiteren waren die Zugabe auch einer Spurenmenge des Salzes
(elektrolytisches Hilfsmittel) und die Einstellung der Konzentration
zeitaufwändig.
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Als
ein Verfahren zur Lösung
der Probleme einer platin- oder edelmetallbeschichteten metallischen
Elektrode, ist in der
JP-A-7-299467 offenbart, eine
Anode einzusetzen, enthaltend leitfähigen Diamanten. Des Weiteren
offenbart die
JP-A-2000-254650 ,
dass ein sauerstoffhaltiges Gas in eine Kathodenkammerseite zugeführt wird,
mit einer Gas diffundierenden Kathode um Wasserstoffperoxid oder
Hypochlorsäureion
mit einer stark bakteriziden Wirksamkeit zu bilden, und das zu behandelnde
Wasser wird einer Sterilisationsbehandlung unter Verwendung desselben
unterworfen. Obwohl in diesem Zusammenhang beschrieben ist, leitfähigen Diamanten
als Anode zu verwenden, wird der betreffende leitfähige Diamant
zur Bildung des Wasserstoffperoxids verwendet.
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Wenn
jedoch der leitfähige
Diamant zur Bildung von Wasserstoffperoxid verwendet wird, erhöht sich
nur die chemische Konzentration, der Sterilisationsmechanismus wurde
jedoch niemals grundlegend verbessert.
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WO-A-02/26636 offenbart
ein Verfahren für die
elektrolytische Desinfektion von Trinkwasser, Gebrauchswasser oder
Ausschusswasser, in welchem anodisch erzeugte Desinfektionsmittel
verwendet werden. Die bei diesem Verfahren verwendete Kathode ist
eine Gasdiffusionselektrode, bei welcher atmosphärischer Sauerstoff zu Hydroxylionen und/oder
Wasserstoffperoxid reduziert wird. Die Anode kann eine mit einem
Mischoxidbeschichtete Titanelektrode oder eine bordotierte leitfähige Diamantelektrode
sein.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Ein
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist es, ein elektrochemisches
sterilisierendes- und bakteriostatisches Verfahren bereitzustellen,
welches sich von der herkömmlichen
Wasserbehandlung mit einer Chemikalie grundlegend unterscheidet.
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Die
vorliegende Erfindung stellt ein elektrochemisches Sterilisationsverfahren
zur Verfügung, umfassend
das elektrochemische Behandeln eines zu behandelnden Wassers, welches
Mikroorganismen enthält,
unter Verwendung einer Anode mit einem leitfähigen Diamanten, so dass der
Mikroorganismus in Kontakt mit der Anode gebracht wird, wodurch
er einer Sterilisation unterworfen wird, wobei die Chloridionenkonzentration
in dem zu behandelnden Wasser in dem Bereich von 1 bis 50 ppm liegt, und
wobei der Mikroorganismus ein Legionellenbakterium ist.
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Die
vorliegende Erfindung stellt des Weiteren ein elektrochemisches
bakteriostatisches Verfahren zur Verfügung, umfassend das elektrochemische
Behandeln eines zu behandelnden Wassers, welches Mikroorganismen
enthält,
unter Verwendung einer Anode mit einem leitfähigen Diamanten, um die Ausbreitung
des Mikroorganismus zu unterdrücken,
wobei die Chloridionenkonzentration in dem zu behandelnden Wasser
in dem Bereich von 1 bis 50 ppm liegt, und wobei der Mikroorganismus
ein Legionellenbakterium ist.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die 1 ist
eine schematische Ansicht, um eine Ausführungsform einer elektrolytischen
Zelle darzustellen, die bei dem elektrochemischen sterilisierenden
und bakteriostatischen Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung
eingesetzt werden kann.
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- 1
- eine
elektrolytische Zelle
- 2
- Anode
- 3
- Kathode
- 4
- zu
behandelndes Wasser
- 5
- Behälter
- 6
- Leitung
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung wird nachfolgend im Detail beschrieben.
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Leitfähiger Diamant
wurde für
die elektrolytische Bildung einer Vielzahl von Substanzen verwendet.
Die vorliegenden Erfinder haben intensive und ausgedehnte Untersuchun gen
in Bezug auf die Anwendungen des leitfähigen Diamanten durchgeführt. Als
ein Resultat wurde herausgefunden, dass, wenn leitfähiger Diamant
als eine Elektrodensubstanz für eine
Anode zur elektrochemischen Behandlung verwendet wird, er eine sehr
wirksame elektrochemisch behandelnde Funktion aufweist, insbesondere
eine stark sterilisierende und bakteriostatische Funktion, was zu
der Durchführung
der vorliegenden Erfindung führte.
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Wenn
leitfähiger
Diamant, wie bekannt, als eine Anode verwendet wird, bilden sich
des weiteren Wasserstoffperoxid oder Hypochlorsäure, wodurch eine deutliche
sterilisierende und bakteriostatische Wirkung aufgrund einer sterilisierenden
und bakteriostatischen Funktion durch die gebildeten Chemikalien,
wie Wasserstoffperoxid, erzielt wird, zusätzlich zu einer sterilisierenden
und bakteriostatischen Funktion des leitfähigen Diamanten selbst. Demzufolge werden,
wenn zu behandelndes Wasser, welches Legionellenbakterien enthält, elektrochemisch
unter Verwendung eines leitfähigen
Diamanten als eine Anode behandelt wird, die vorgenannten Mikroorganismen
sterilisiert, und indem die Elektrizität kontinuierlich oder periodisch
angestellt wird, wird ihre Ausbreitung unterdrückt. Eine sterilisierende Wirkung wird
durch die Behandlung eines Teiles oder des Ganzen des vorgenannten
zu behandelnden Wassers erzielt.
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Da
eine leitfähige
Diamantanode ein stark oxidierendes Potential besitzt, tritt die
direkte Oxidationsreaktion aufgrund des Kontakts zwischen dem Mikroorganismus
und der Anodenoberfläche
im Vergleich mit anderen Elektroden stark auf und trägt daher
im Wesentlichen zu der Sterilisation des Mikroorganismus bei.
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Wenn
des Weiteren das zu behandelnde Wasser darin eine Spurenmenge eines
Chloridions auflöst,
wird wirksames Chlor, wie Chlorgas und Hypochlorsäure, erzeugt,
und das zu behandelnde Wasser wird der Sterilisierung oder bakteriostatischen
Behandlung unterworfen, hauptsächlich
abgeleitet aus diesem wirksamen Chlor. Insbesondere ist die leitfähige Diamantanode
in Bezug auf die Bildungswirksamkeit von wirksamem Chlor, wie Hypochlorsäure, im
Vergleich mit anderen Edelmetallelektroden stark und kann wirksames
Chlor mit einer gewünschten
Konzentration aus einem Chlorid mit niedriger Konzentration, z.
B. Salz, bilden. Die Konzentration des Chloridions liegt in dem
Bereich von 1 bis 50 ppm, und die leitfähige Diamantanode weist eine
sehr ausgezeichnete Wirksamkeit bezüglich der Bildung von Chlor
innerhalb dieses Konzentrationsbereichs auf, im Vergleich mit anderen
Edelmetallelektroden. Des Weiteren besitzt der leitfähige Diamant
eine starke Fähigkeit,
Ozon zu erzeugen und besitzt eine ausgezeichnete Bil dungswirksamkeit
in Bezug auf die Erzeugung von Wasserstoffperoxid und Radikalen.
Demzufolge kann auch eine indirekte sterilisierende Wirkung erwartet
werden.
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Wenn
eine Spurenmenge des Salzes in dem zu behandelnden Wasser aufgelöst wird,
erhöht
sich die Leitfähigkeit
der Lösung,
so dass eine elektrolytische Spannung reduziert werden kann. Dies
ist daher geeignet. Von diesem Gesichtspunkt aus ist es bevorzugt,
ein Chlorid zu Leitungswasser mit einer niedrigeren Leitfähigkeit
zuzugeben.
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Auf
der anderen Seite, wenn andere Elektrolyten als das Chloridion koexistieren,
kann erwartet werden, dass die Mikroorganismen durch Peroxide inaktiviert
werden, gebildet durch die elektrolytische Oxidation eines Schwefelsäureions,
eines Kohlenstoffsäureions
etc. Da die sterilisierende Wirkung jedoch niedriger sein kann,
wenn eine große
Menge an Peroxiden vorhanden ist, ist es bevorzugt, die Menge solcher
Elektrolyte innerhalb eines geeigneten Bereiches zu halten.
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In
Kühlwassertürmen wird
Wasser mit einer niedrigen Konzentration an Salzen, wie Leitungswasser,
als das Ausgangsmaterial ergänzt.
Da die Salze jedoch aufgrund der Verdampfung des Wassers normalerweise
5 bis 10 Mal konzentriert werden, ist es nicht notwendig, Elektrolyte
zuzugeben.
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Die
Hauptreaktion zwischen einer Anode und einer Kathode in einer elektrolytischen
Zelle, in der ein Chloridion vorhanden ist, ist wie folgt.
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Anode:
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Cl- =
Cl2 + 2e (1.36V)
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Cl2 + H2O
= HCl + HClO
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2H2O
= O2 + 4H+ + 4e (1.23 V)
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3H2O
= O3 + 6H+ + 6e (1.78V)
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2H2O
= H2O2 + 2H+ + 2e (1.78
V)
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Kathode:
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2H2O + 2e = H2 +
2OH- (0.84 V)
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In
dem Fall, in dem Sauerstoff vorhanden ist, ist die kathodische Reaktion
wie folgt.
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O2 +
2H+ + 2e = H2O2 (0.34
V)
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O2 +
4H+ + 4e = H2O (0.4 V)
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Die
leitfähige
Diamantanode, die in der vorliegenden Erfindung verwendet werden
kann, wird erzeugt, indem Diamant, welcher eine abgeschiedene Substanz
ist, die aus der Reduktion eines organischen Materials resultiert,
als eine Kohlenstoffquelle auf einem Elektrodensubstrat abgeschieden
wird. In Bezug auf die Materialqualität des Substrates gibt es keine
bestimmten Begrenzungen solange es leitfähig ist. Zum Beispiel können plattenförmige Materialien, maschenförmige Materialien,
stabförmige
Materialien, rohrförmige
Materialien, kreisförmige
Materialien (z. B. Kugeln) oder perforierte plattenförmige Materialien,
wie ein faserförmiger
Sinterkörper,
hergestellt aus leitfähigem
Silikon (z. B. monokristallines, polykristallines oder amorphes
Silikon), Siliziumkarbid, Titan, Niob, Tantal, Kohlenstoff, Nickel
etc. verwendet werden.
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Das
Verfahren das der Diamant auf solch einem Substrat getragen wird,
ist nicht besonders begrenzt, und willkürliche Maßnahmen können eingesetzt werden. Beispiele
der repräsentativen
Herstellungsverfahren des Diamanten umfassen die Wärmefilament-CVD-(chemische Dampfabscheidung)-Verfahren,
Mikrowellenplasma-CVD-Verfahren, Plasmadüsenstrahlverfahren, und physikalisches
Dampfabscheidungs-(PVD)-Verfahren. Bei jedem dieser Verfahren wird
ein gemischtes Gas aus einem Wasserstoffgas und einer Kohlenstoffquelle als
das Diamantausgangsmaterial verwendet. Um dem Diamanten Leitfähigkeit
zu verleihen, wird eine Spurenmenge eines Elementes mit einer anderen Wertigkeit
zugegeben. Als das in Spurenmengen zuzugebende Element sind Bor,
Phosphor und Stickstoff erwünscht,
und ihr Anteil beträgt
vorzugsweise 1 bis 100.000 ppm und noch bevorzugter 100 bis 10.000
ppm. Daneben können
Elektroden hergestellt werden, indem ein synthetisches Diamantpulver,
hergestellt aus einem Kohlenstoffpulver als das Ausgangsmaterial
unter einem ultrahohen Druck oder zusammen mit einem Bindemittel
als Harze auf dem Träger
getragen wird.
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Während die
durch die oben beschriebenen Reaktionsschemata dargestellte Wasserstofferzeugung
durchgeführt
wird, kann billiges Eisen, Nickel, rostfreier Stahl, Kohlenstoff
etc. als ein Kathodenkatalysator verwendet werden. Wenn die kathodische Reaktion
des Sauerstoffgases zur Bildung des Wasserstoffperoxides durchgeführt wird,
wird vorzugsweise Gold, Metalle oder Oxide dessen, oder Kohlenstoff,
wie Graphit und leitfä higer
Diamant, als der Kathodenkatalysator verwendet. Solch ein Katalysator wird
in dem plattenförmigen
Zustand, wie er ist, verwendet. Alternativ wird der Katalysator
mit einer Bedeckung von 1 bis 100 g/m2 auf
einer Platte, einem Metallnetz, einem pulverförmigen Sinterkörper oder einem
metallischen Fasersinterkörper,
jeweils mit Korrosionsbeständigkeit,
wie rostfreier Stahl, Zirkonium, Silber und Kohlenstoff, durch das
Wärmezersetzungsverfahren,
das Fixierverfahren durch ein Harz, das Verbundplattierverfahren
etc. gebildet.
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Als
ein Kathodenzufuhrkörper
werden Kohlenstoff, Metalle, wie Nickel und Titan, und Legierungen
und Oxide dieser verwendet. Wenn ein hydrophober Bogen auf der Rückseite
der Kathode an der der Anode gegenüberliegenden Seite angeordnet,
ist dies wirkungsvoll, da es möglich
ist, die Gaszufuhr zu der Reaktionsoberfläche zu steuern. Als sauerstoffhaltiges
Gas als Ausgangsmaterial kann, während Luft
oder Gase aus kommerziell erhältlichen
Zylindern verwendet werden können,
ein Gas, welches an der Anode erzeugt wird, eingesetzt werden. Wenn eine
Gaskammer an der Rückseite
der Elektrode vorhanden ist, kann der Sauerstoff zu der Gaskammer zugeführt werden.
Daneben kann Sauerstoff vorher in das zu behandelnde Wasser geblasen
und von diesem absorbiert werden.
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Die
elektrolytische Zelle, die zur elektrochemischen Behandlung verwendet
wird, kann entweder eine elektrolytische Zelle ohne Diaphragma und
mit einer Kammer sein, in welcher nur eine Anode und eine Kathode
angeordnet sind, oder eine elektrolytische Zelle, bei welcher eine
Anodenkammer und eine Kathodenkammer voneinander unter Verwendung
eines Diaphragmas, wie eines porösen
Diaphragmas, und einer Ionenaustauschmembran zwischen einer Anode
und einer Kathode voneinander getrennt sind. Die Anwesenheit oder
die Abwesenheit eines Diaphragmas und die Materialqualität eines
Kathodensubstrats können
geeignet bestimmt werden, im Hinblick auf die Eigenschaften des
zu behandelnden Wassers und die Betreibbarkeit. Als elektrolytische
Zelle können
bestehende elektrolytische Zelle oder solche, bei welchen nur eine
Anode ausgetauscht wird, verwendet werden, und die elektrolytischen
Zellen können
in einer existierenden Leitung angeordnet werden. In vielen Fällen ist
es nicht notwendig, neue Gerate, wie eine Pumpe, hinzuzufügen. Dies
ist eine wirksame Verwendung von existierenden zirkulierenden Leitungen,
in welchen ein Teil des zirkulierenden Wassers in einer existierenden Leitung
in die existierende Leitung verzweigt wird und als eine elektrolytische
Flüssigkeit
verwendet wird.
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In
Bezug auf das Material der elektrolytischen Zelle ist es bevorzugt,
Kohlenwasserstoffharze, wie PP, PVC und PE, Glasauskleidungsmaterialien,
Kohlenstoff, Titan, rostfreien Stahl, Fluorkohlenstoffharze und
dergleichen zu verwenden.
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Als
das Ionenaustauschharz sind sowohl Fluorkohlenstoffharze als auch
Kohlenwasserstoffharze geeignet, die ersteren sind jedoch im Hinblick auf
die Korrosionsbeständigkeit
bevorzugt. Die Ionenaustauschmembran weist eine Funktion aus, zu verhindern,
dass die an der Anode und der Kathode gebildeten Ionen an einer
Gegenelektrode dieser verbraucht werden und dass des Weiteren die
Elektrolyse schnell fortschreitet, auch in dem Fall, in dem die
Leitfähigkeit
der Flüssigkeit
gering ist.
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In
der vorliegenden Erfindung wird die Bedingung der elektrochemischen
Behandlung des zu behandelnden Wassers, in welchem eine leitfähige Diamantanode
verwendet wird, geeignet eingestellt, so dass die Behandlung wirksam
fortschreitet. Zum Beispiel wird eine Stromdichte auf 0,01 bis 50
A/dm2, und eine elektrolytische Temperatur
auf 5 bis 40 °C eingestellt.
Bei der elektrochemischen Sterilisation gemäß der vorliegenden Erfindung
können
Ultraschallwellen eingesetzt werden. Dies ist wirksam, da die elektrochemische
Behandlung mit guter Wirksamkeit durchgeführt wird, während der Massenübergang
beschleunigt wird. Es ist erwünscht,
dass ein Abstand zwischen beiden Elektroden, welcher verwendet wird,
klein ist, um einen Widerstandsverlust zu reduzieren. Des Weiteren
ist es erwünscht, den
Abstand mit 0,5 bis 10 mm einzustellen, zu dem Zweck, den Druckverlust
bei dem zuführenden
Wasser gering zu halten und die Fließverteilung gleichmäßig zu erhalten.
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Wie
zuvor beschrieben liegt die Chloridionenkonzentration in dem zu
behandelnden Wasser in dem Bereich von 1 bis 50 ppm. In dem Fall,
dass das zu behandelnde Wasser eine große Menge an Metallionen enthält, wie
Leitungswasser, Brunnenwasser und Seewasser, besteht die Möglichkeit,
dass metallische Hydroxide oder Karbonate auf der Oberfläche der
Kathode abgeschieden werden, wodurch die elektrochemische Behandlung
verzögert
wird. Um dies zu verhindern, wird durch das Durchleiten eines umgekehrten
Stromes in geeigneten Intervallen (im Allgemeinen zwischen 1 Minute
bis 10 Stunden) abhängig
von den Anwendungen, die Kathodenkammer angesäuert, wodurch die Anodenkammer
alkalisch wird. Hierdurch wird der Fluss des erzeugten Gases und
des zugeführten
Wassers beschleunigt, und die Trennung der Abscheidungen schreiten
mit Leichtigkeit fort.
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Da
der Katholyt alkalisch ist, ist es durch das Ablassen eines Teiles
dessen und das Ergänzen
von neutralem Ausgangsmaterial Wasser möglich, das zirkulierende Wasser
leicht sauer zu halten. Um die Korrosion der Leitungen in der Zirkulationssystemeinrichtung
zu hemmen und die sterilisierende Wirkung zu steigern, wird vorzugsweise
ein pH-Wert von 3
bis 10, vorzugsweise 4 bis 6, eingestellt.
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Das
in dem sterilisierenden und bakteriostatischen Verfahren gemäß der vorliegenden
Erfindung zu behandelnde Wasser umfasst Kühlwasser für die Klimaanlage, Heißwasser,
welches zugeführt
werden soll, Wasser für
Bäder vom
Zirkulationstyp, Wasser für
die Landschaft und industrielles Wasser, und insbesondere zirkulierendes
Wasser, welches durch Zirkulation wiederverwendet wird.
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Die
elektrochemische Sterilisations- und bakteriostatische Behandlung
der vorliegenden Erfindung führt
die sterilisierende oder bakteriostatische Behandlung des zu behandelnden
Wassers durch, unter Verwendung von leitfähigen Diamanten als Anodenkatalysator.
Da der leitfähige
Diamant ein hohes Oxidationspotential im Vergleich mit anderen Elektrodensubstanzen
aufweist, tritt die direkte Oxidationsreaktion aufgrund des Kontakts
zwischen dem Mikroorganismus in dem zu behandelnden Wasser, das heißt den Legionellenbakterien,
und der Anodenoberfläche
im Vergleich mit anderen Anoden heftig auf, und trägt im Wesentlichen
zur Sterilisation des Mikroorganismus bei. Wenn bei der sterilisierenden und
bakteriostatischen Behandlung des zu behandelnden Wassers, ein Chloridion
oder dergleichen zugegeben wird, wird eine sterilisierende und bakteriostatische
Fähigkeit
aufgrund der Chemikalien, wie Hypochlorsäure, zu einer sterilisierenden
und bakteriostatischen Fähigkeit
des leitfähigen
Diamanten selbst hinzugefügt,
wodurch es möglich
wird, die sterilisierende und bakteriostatische Behandlung des zu behandelnden
Wassers mit einem geeigneten Maß durchzuführen. Insbesondere
ist der leitfähige
Diamant in Bezug auf die Bildungswirksamkeit von Hypochlorsäure, etc.,
im Vergleich mit anderen Elektrodensubstanzen, stark, wodurch es
möglich
ist, die sterilisierende und bakteriostatische Behandlung wirksam
durchzuführen.
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Demzufolge
kann im Vergleich mit der Sterilisation, die nur durch die herkömmliche
Zugabe eines Chloridions bewirkt wird, die Zugabemenge des Chloridions
deutlich auf ein notwendiges und minimales Maß reduziert werden, und daher
wird der praktische Wert hoch. Da des Weiteren die Zugabemenge des
Chloridions reduziert werden kann, ist es möglich, die Korrosion der Leitungen
für das
zirkulierende Wasser und die Einrichtungen zu verhindern und die
Häufigkeit
des Austauschs des zirkulierenden Wassers und die Anzahl des Reinigens
der Einrichtung deutlich zu reduzieren. Daher ist es möglich, eine
wirtschaftliche elektrochemische Behandlung des zu behandelnden
Wassers zu realisieren.
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Eine
Ausführungsform
einer bevorzugten elektrolytischen Zelle, die bei dem elektrochemischen
Sterilisations- und bakteriostatischen Verfahren gemäß der vorliegenden
Erfindung eingesetzt werden kann, wird in Bezug auf 1 beschrieben.
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1 zeigt
eine schematische Ansicht, um eine Ausführungsform einer elektrolytischen
Zelle darzustellen, welche bei dem elektrochemischen Sterilisations-
und bakteriostatischen Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung
eingesetzt werden kann.
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Eine
in der Zeichnung dargestellte elektrolytische Zelle 1 ist
eine elektrolytische Zelle mit einer Kammer ohne Trennwand, und
eine Anode 2, welche aus leitfähigem Diamant hergestellt ist,
als ein Anodenkatalysator, und eine Kathode 3, hergestellt
aus Nickel, Eisen oder leitfähigem
Diamant, als ein Kathodenkatalysator, sind getrennt voneinander
innerhalb der elektrolytischen Zelle 1 angeordnet. Ein
Behälter 5,
welcher zu behandelndes Wasser 4, das Legionellenbakterien
aufweist, und ein Chloridion enthält, ist in der Nähe dieser
elektrolytischen Zelle 1 angeordnet.
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Das
Ganze oder ein Teil des zu behandelnden Wassers 4 in dem
Behälter 5 wird über eine
Leitung 6 in diese elektrolytische Zelle 1 zugeführt. Zunächst wird
das zugeführte
zu behandelnde Wasser in direkten Kontakt mit dem leitfähigen Diamanten
als ein Anodenkatalysator gebracht, wodurch die Mikroorganismen
in dem zu behandelnden Wasser oxidativ sterilisiert werden; als
Zweites wird das Chloridion anodisch mit dem leitfähigen Diamanten
oxidiert, um ein Chlorgas zu bilden und des Weiteren Hypochlorsäure, abhängig von
dem pH-Wert, wodurch die Mikroorganismen mit diesen Chemikalien
sterilisiert werden; und Drittens werden Sauerstoff und Ozon durch
normale Wasserelektrolyse gebildet, wodurch die Sterilisation des
Mikroorganismus durchgeführt wird.
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An
der Kathode 3 schreitet die Wasserstofferzeugungsreaktion
durch normale Wasserelektrolyse und die Reaktion, bei welcher ein
Teil des Sauerstoffs an der Anode 2 erzeugt wird, fort.
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In
der elektrolytischen Zelle 1 oder der Leitung 6 reagieren
die Mikroorganismen und die gebildeten Chemikalien miteinander,
wodurch eine Sterilisation des Mikroorganismus durchgeführt wird.
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Neben
der dargestellten Ausführungsform können die
Elektroden innerhalb der Leitung 6 oder dem Behälter 5 angeordnet
werden.
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Des
Weiteren kann eine elektrolytische Zelle mit zwei Kammern, wobei
eine Anodenkammer und eine Kathodenkammer voneinander unter Verwendung
eines Diaphragmas getrennt sind, anstelle der beschriebenen elektrolytischen
Zelle mit einer Kammer eingesetzt werden. Bei der elektrolytischen
Zelle mit zwei Kammern ist es möglich,
zu verhindern, dass sich die an der Anode gebildete Hypochlorsäure etc.,
reduziert und an der Kathode zersetzt. Des Weiteren kann, obwohl
es bekannt ist, dass sich die Sterilisationswirkung durch das Hypochlorsäureion an der
sauren Seite steigert, der pH-Wert individuell in der Anodenkammer
und der Kathodenkammer in der elektrolytischen Zelle mit zwei Kammern
eingestellt werden, und daher ist es leicht, die sterilisierende Wirkung
zu steigern. Das heißt,
da der Anolyt angesäuert
wird, wohingegen der Katholyt alkalisch wird, ist es durch das Ablassen
eines Teils des Katholyts und Ergänzen mit neutralem Ausgangsmaterialwasser,
möglich,
das zirkulierende Wasser schwach sauer zu halten.
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Das
elektrochemische sterilisierende und bakteriostatische Verfahren
gemäß der vorliegenden Erfindung
wird nachfolgend unter Bezug auf die folgenden Beispiele beschrieben.
Nur Beispiel 1, 4 und 5 sind gemäß der Erfindung.
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BEISPIEL 1
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Elektroden,
die durch das Formen von leitfähigem
Diamanten in einer Dicke von ungefähr 2 μm auf einem monokristallinen
Silikonsubstrat mit einer Dicke von 1 mm durch das Wärmefilament-CVD-Verfahren
hergestellt wurden, wurden als eine Anode und Kathode verwendet,
und die beiden Elektroden wurden solchermaßen angeordnet, dass der Abstand zwischen
ihnen 1 mm betrug, um eine elektrolytische Zelle herzustellen, welche
in 1 dargestellt ist. Beide Elektroden wiesen eine
Elektrodenfläche
von 70 cm2 auf.
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Zu
behandelndes Wasser, welches 58.000.000 CFU/L der Legionellenbakterien
aufwies und so eingestellt war, dass es 30 ppm Chloridionen aufwies,
indem Salz darin aufgelöst
wurde, wurde hergestellt und einer elektrochemischen Behandlung unterworfen,
indem ein elektrischer Strom mit 0,5 A/dm2 hindurchgeleitet
wurde, während
das zu behandelnde Wasser mit einem Anteil von 160 l/h der elektrolytischen
Zelle zugeführt
wurde. Das zu behandelnde Wasser wurde nach einer Lagerung für 60 Minuten
analysiert. Als ein Ergebnis waren 99,99 % oder mehr der Legionellenbakterien
ausgestorben. Gemäß der Analyse
unter Verwendung eines DPD-Regenz wies das zu behandelnde Wasser
eine wirksame Chlorkonzentration entsprechend 0,6 ppm auf.
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BEISPIEL 2 (Referenzbeispiel)
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Die
Behandlung wurde unter den gleichen Bedingungen wie in Beispiel
1 durchgeführt,
mit der Ausnahme, dass 200 ppm eines Chloridions verwendet wurde
und ein elektrischer Strom von 0,25 A/dm2 durchgeleitet
wurde. Das zu behandelnde Wasser wurde nach einer Lagerang für 60 Minuten
analysiert. Als ein Ergebnis waren 99,98 % der Legionellenbakterien
ausgestorben.
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BEISPIEL 3 (Referenzbeispiel)
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Die
Behandlung wurde unter den gleichen Bedingungen wie in Beispiel
1 durchgeführt,
mit der Ausnahme, dass 200 ppm eines Chloridions verwendet wurde
und ein elektrischer Strom von 0,5 A/dm2 durchgeleitet
wurde. Das zu behandelnde Wasser wurde analysiert, nachdem es für 5 Minuten,
20 Minuten und 60 Minuten gelagert wurde. Als ein Ergebnis waren
99,98 %, 99,99 % und 100 % der Legionellenbakterien ausgestorben.
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BEISPIEL 4
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Die
Behandlung wurde unter den gleichen Bedingungen wie in Beispiel
1 durchgeführt,
mit der Ausnahme, dass 3,5 ppm eines Chloridions verwendet wurden
und ein elektrischer Strom von 1,5 A/dm2 durchgeleitet
wurde. In dem zu behandelnden Wasser bildeten sich nach einer Lagerung
von 60 Minuten 0,2 ppm wirksames Chlor und 89 % der Legionellenbakterien
waren ausgestorben.
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BEISPIEL 5
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Die
Behandlung wurde unter den gleichen Bedingungen wie in Beispiel
1 durchgeführt,
mit der Ausnahme, dass 3,5 ppm eines Chloridions verwendet wurden
und ein elektrischer Strom von 1 A/dm2 durchgeleitet
wurde. Das zu behandelnde Wasser wurde nach einer Lagerung für 60 Minuten
analysiert. Als ein Ergebnis waren 30 % der Legionellenbakterien
ausgestorben.
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In
Beispiel 4 und 5 war die Chloridionenkonzentration so gering, dass
die sterilisierende Wirkung unter den Bedingungen des Beispiels
niedrig war. Es wurde jedoch die Ausbrei tung der Legionellenbakterien
in dem frühen
Zustand unterdrückt
und daher wurde eine bakteriostatische Funktion aufgedeckt.
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VERGLEICHSBEISPIEL 1
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Leitungswasser
enthaltend 44.000.000 CFU/L Legionellenbakterien (das wirksame Chlor verschwand)
wurde hergestellt. Sogar nach einer Lagerung von 60 Minuten änderte sich
die Anzahl der Bakterien nicht. Demzufolge wurde bestätigt, dass
in Leitungswasser, in welchem das wirksame Chlor verschwunden war,
weder Sterilisation noch Deaktivierung fortschritt.
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VERGLEICHSBEISPIEL 2
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Wenn
Hypochlorsäure
mit einer Menge von 1 ppm, 0,7 ppm und 0,2 ppm in Leitungswasser
eingespritzt wurde, welches 58.000.000 CFU/L Legionellenbakterien
enthielt, lag der Zeitraum, um eine Auslöschrate von 99,99 % (1.000
CFU/L oder weniger) zu erzielen, 1 Minute, 5 Minuten und 20 Minuten.
Um die vollständige
Auslöschung
innerhalb von 60 Minuten zu erzielen, waren 0,7 ppm wirksames Chlor
notwendig.
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VERGLEICHSBEISPIEL 3
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Das
zu behandelnde Wasser wurde einer elektrochemischen Behandlung unter
den gleichen Bedingungen wie in Beispiel 1 unterworfen, mit der Ausnahme,
dass eine Anode aus DSE (IrO2) verwendet
wurde. Als ein Ergebnis der Analyse waren 99 % der Legionellenbakterien
ausgestorben. Zu diesem Zeitpunkt hatte sich wirksames Chlor entsprechend 0,3
ppm gebildet, und die Bildungskonzentration betrug die Hälfte im
Vergleich mit dem Fall einer leitfähigen Diamantanode.