DE69103275T2

DE69103275T2 - Verfahren und vorrichtung zur wasserbehandlung durch elektrolyse, insbesondere zum zweck seine entkarbonisierung.

Info

Publication number: DE69103275T2
Application number: DE69103275T
Authority: DE
Inventors: Dominique Mercier
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1990-09-14
Filing date: 1991-09-13
Publication date: 1995-03-23
Anticipated expiration: 2011-09-14
Also published as: EP0548242B1; CA2091585A1; DE69103275D1; WO1992005116A1; ES2061268T3; US5328574A; FR2666801A1; FR2666801B1; EP0548242A1; ATE109432T1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Wasserbehandlung durch Elektrolyse, insbesondere im Hinblick auf seine Entkarbonisierung, sowie einen Apparat zur Anwendung dieses Verfahrens.
Von den einzelnen Behandlungen des Wassers zum Zwecke seiner Entkarbonisierung sind bereits verschiedene Verfahren und elektrische Apparate bekannt, die auf der Elektrolyse des Wassers basieren. Bei solchen bekannten Elektrolyseapparaten läßt man mittels Ionenleitung im Wasser einen elektrischen Strom zwischen zwei Elektroden, und zwar einer Anode und einer Kathode, fließen, die jeweils an den positiven bzw. negativen Pol einer Stromversorgungsvorrichtung angeschlossen sind. Die Elektrolyse des Wassers äußert sich in der Keimbildung des aus dem im Wasser vorhandenen Calciumbicarbonat entstandenen Calciumcarbonats an der Kathode, in seiner anschließenden Kristallisierung und damit Neutralisierung.
Bei den bisher bekannten Wasserelektrolysegeräten, die zur Entkarbonisierung von Wasser verwendet werden, werden die Potentiale der Elektroden, die sich aus dem Fließen des elektrischen Stroms durch Ionenleitung durch das Wasser ergeben, nicht richtig genutzt und in bezug auf das Lösungsmittel, welches das Wasser ist, weder eingestellt noch überwacht. Vor allein tragen diese Geräte weder der Beschaffenheit der Elektroden Rechnung noch berücksichtigen sie die Redoxpotentiale des Wassers, die seine Stabilität bestimmen. Dadurch entstehen Hemmphänomene für die Keimbildung des Calciumcarbonats, Korrosionsphänomene und/oder Kesselsteinablagerungen im Bereich der Elektroden der Geräte sowie in diesen nachgeschalteten Geräten. Da der Betrieb dieser Geräte nicht auf das Wasser abgestimmt ist, ist die theoretisch vorhergesagte Leistung nicht erreichbar.
Die vorliegende Erfindung will diesen Nachteilen abhelfen und stellt ein Verfahren und ein Gerät vor, mit denen die Neutralisierung der Wasserhärte unter besonders wirtschaftlichen, sicheren und dauerhaften Voraussetzungen erreicht wird.
Zu diesem Zweck ist dieses Verfahren zur Behandlung von Wasser durch Elektrolyse, insbesondere im Hinblick auf seine Entkarbonisierung, bei dem man mittels Ionenleitung im Wasser einen elektrischen Strom zwischen einer Anode und einer Kathode fließen läßt, die jeweils an den positiven bzw. negativen Pol eines elektrischen Steuergeräts angeschlossen sind, dadurch gekennzeichnet, daß für die Kathode ein Metall gewählt wird, dessen Redoxpotential, das ein während der Elektrolyse bezogen auf das Wasser im wesentlichen konstantes Referenzpotential darstellt, über der effektiven Reduktionsschwelle des Wassers liegt, mit dem Ziel, die Reduktion dieses Wassers zu verhindern, und daß während der Elektrolyse die zur Keimbildung des Calciumcarbonats nötigen OH&supmin;-Ionen ausschließlich aus dem im Wasser gelösten Sauerstoff erzeugt werden.
Die Erfindung hat außerdem ein Gerät zur Behandlung von Wasser durch Elektrolyse mit dem Ziel seiner Entkarbonisierung mit einer elektrolytischen Zelle und einem elektrischen Steuergerät zum Gegenstand, wobei die elektrolytische Zelle einen Behälter aufweist, an den eine Zuführleitung für das zu behandelnde Wasser und eine Abflußleitung für das behandelte Wasser angeschlossen sind, und in den mindestens eine Anode eingeführt ist, und ist dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode der elektrolytischen Zelle vom Behälter gebildet und als Referenzelektrode verwendet wird und aus einem Metall besteht, dessen Redoxpotential über der effektiven Reduktionsschwelle des Wassers liegt.
Nachstehend werden beispielhaft und nicht erschöpfend einige Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung mit Bezug zu den beiliegenden Figuren beschrieben.
Fig. 1 ist ein schematischer Vertikalschnitt eines elektrolytischen Behälters, der für die Anwendung des Verfahrens zur Entkarbonisierung des Wassers nach der Erfindung geeignet ist.
Fig. 2 ist ein Elektroschaltplan des elektrischen Steuergeräts des elektrolytischen Behälters der Erfindung.
Fig. 3 ist ein Längs- und Vertikalschnitt einer Anwendungsvariante der Erfindung.
Fig. 4 ist eine Schnittansicht entlang der Linie IV-IV der Fig. 3 der darauf dargestellten Anwendungsvariante.
Fig. 5 ist eine schematische Ansicht einer weiteren Anwendungsvariante der Erfindung.
Der in Fig. 1 dargestellte Elektrolyseapparat umfaßt im wesentlichen eine elektrolytische Zelle A und ein elektrisches Steuergerät B. Die elektrolytische Zelle A umfaßt einen Metallbehälter 1, der die Kathode der Zelle A bildet und mit dem negativen Pol 2- des elektrischen Steuergeräts B verbunden ist. Der Behälter 1 enthält mindestens eine mit dem positiven Pol 2+ des elektrischen Steuergeräts B verbundene Anode 3. Diese Anode 3 erstreckt sich vorzugsweise vertikal in der Mitte des Behälters 1 und führt durch die obere Wand des Behälters 1, von ihm getrennt durch eine elektrisch isolierende Muffe 4. Während der Elektrolyse fließt durch den Behälter 1 ein Wasserstrom, der über eine Zuführleitung 5 in den Behälter 1 gelangt, die in den Boden 1b des Behälters 1 mündet, und von dem sie durch eine Isoliermuffe 6 elektrisch isoliert ist. An der Seitenfläche des Behälters 1 ist eine Leitung 7 zum Abzug des behandelten Wassers angeschlossen, wobei diese Leitung 7 von der Seitenwand 1c des Behälters 1 durch eine Isoliermuffe 8 elektrisch isoliert ist. Die elektrische Verbindung zwischen den Leitungen 5 und 7 erfolgt durch einen äußeren Leiter 9 wie beispielsweise ein Kupfergeflecht, welches die Zuführleitung 5 und Abführleitung 7 ohne jeglichen Kontakt mit dem Behälter 1 verbindet. Schließlich mündet in den Boden 1b des Behälters 1 eine Ablaßleitung 11, an die ein Ablaßhahn 12 montiert ist, und die gegen diesen Boden ebenfalls durch eine Isoliermuffe 13 isoliert ist.
Nach der Erfindung wird der Behälter 1 von beliebigen geeigneten, isolierenden Vorrichtungen getragen, um gegen Erde isoliert zu sein. Er besteht aus einem Metall wie beispielsweise Eisen, dessen Redoxpotential, das ein Referenzpotential darstellt, sorgfältig gewählt wurde, damit nur bestimmte Reaktionen beim Kontakt mit ihm stattfinden können. Dieses Redoxpotential der Kathode 1, welches das Referenzpotential des Geräts darstellt, wird vom Durchfließen des Stroms während der Elektrolyse nicht beeinflußt und behält im wesentlichen seinen Ursprungswert bezogen auf das Wasser: um dessen Stabilität sicherzustellen, ist der Behälter 1, der die Kathode bildet, gegen Erde isoliert. Bei bestimmten, besonderen Anwendungen oder wenn besondere Sicherheitsbedingungen verlangt werden, kann eine solche Isolierung jedoch nicht erfolgen.
Die Erfahrung und Theorie der Elektrochemie in wässeriger Lösung lassen eine Festlegung darauf zu, wie das Redoxpotential, d.h. das Metall, aus dem die Kathode 1 besteht, zur Vermeidung einer unkontrollierten Reduktion des Wassers an der Kathode am besten gewählt werden sollte. Eine solche unkontrollierte Reduktion würde nämlich zum einen eine Freisetzung von Wasserstoff und zum anderen die rasche Bildung von Calciumcarbonat an der Kathode 1 bewirken, was die Leistungsfähigkeit des Geräts stören würde. Durch die Freisetzung von Wasserstoff an der Kathode, die durch die effektive Reduktion des Wassers hervorgerufen wird, können OH&supmin;-Ionen erzeugt werden, doch erfolgt dies überwiegend an der Oberfläche der Kathode, was die Bildung von Calciumcarbonatablagerungen auf dieser Fläche erklärt.
Um die Freisetzung von Gasen und insbesondere von Wasserstoff an der Kathode, die Korrosion verursachen kann, und die Risiken von Kesselsteinablagerungen an der Kathode 1 soweit wie möglich einzuschränken, wird für die Kathode 1 ein Metall gewählt, dessen Redoxpotential, welches das Referenzpotential darstellt, einen Wert aufweist, der über dem effektiven Reduktionspotential und vorzugsweise unter dem Standardreduktionspotential des Wassers liegt.
Die Erfahrung hat gezeigt, daß im Falle eines Wassers mit einem bestimmten pH-Wert das Potential Pc des Metalls der Kathode 1 der folgenden Beziehung genügen muß:
-0,826 Volt - 0,059 pH < pc < 0,000 Volt - 0,059 pH
Der Wert (-0,000 Volt - 0,059 pH) entspricht der Reduktionsschwelle des Wassers, während der Wert (-0,826 Volt - 0,059 pH) dem Redoxpaar entspricht:
2 H&sub2; Gas/H&sub2;O = -0,826 Volt mit pH = 0, das man effektive Reduktionsschwelle nennt
2 H&sub2;O + 2e H&sub2; + 2OH&supmin;
Eisen und einige seiner Legierungen entsprechen diesen Voraussetzungen. Die Erfahrung zeigt, daß man diesen Unterschied verändern muß, um ihn auf folgende Werte zu bringen:
- 0,826 Volt - 0,059 pH < Pc < -0,059 Volt - 0,059 pH
Inox-Stahl entspricht dieser Wertewahl.
Wenn eine effektive Reduktion des Wassers stattfindet, werden OH&supmin;-Ionen nach folgender Reaktion erzeugt:
2 H&sub2;O + 2e 20H + H²
Diese OH&supmin;-Ionen sind für die Keimbildung des Calciumcarbonats erforderlich, da sie die Umwandlung der Bicarbonate in Carbonate ermöglichen, die, an die Calciumionen gebunden, Keime und dann Calciumcarbonatkristalle ergeben.
Die Reaktionen sind wie folgt:
HCO&sub3;&supmin; + OH CO&sub3;&supmin;&supmin; + H&sub2;O
CO&sub3;&supmin;&supmin; + Ca Ca CO&sub3;
Wie weiter oben erläutert wurde, begünstigt diese Erzeugung von OH&supmin;-Ionen durch effektive Reduktion des Wassers die Ablagerung von Calciumcarbonat an der Kathode, was die Leistungsfähigkeit mit der Zeit begrenzt.
Eines der Merkmale des Verfahrens und Geräts der Erfindung ist, daß OH&supmin;-Ionen nicht aus der effektiven Reduktion des Wassers, sondern aus dem im Wasser gelösten, natürlich vorhandenen oder künstlich zugeführten Sauerstoff erzeugt werden.
Die Reaktion lautet wie folgt:
1/2 O&sub2; + H&sub2;O + 2e 20H&supmin;
Die so erzeugten OH&supmin;-Ionen werden vorzugsweise in der Lösung nahe der Kathode (kathodische Zone) erzeugt, was eine Keimbildung des Calciumcarbonats eher in der Lösung als als Ablagerung an der Kathode fördert. Noch dazu erfolgt bei dieser Reaktion keine Freisetzung von Wasserstoff, was die Korrosionsgefahren begrenzt.
Die wässerige Lösung enthält nur selten die für eine genügende Menge Calciumcarbonat ausreichende Menge gelösten Sauerstoffs. In diesem Fall führt man dem Wasser nach der Erfindung über Hilfsvorrichtungen eine ausreichende Menge gelösten Sauerstoffs zu. Diese Zuführung kann vor allem durch vorherige Belüftung des Wassers geschehen, d.h. vor dessen Ankunft im Behälter 1, durch Sauerstoffzuführung in das Wasser, das sich im Behälter 1 befindet, oder aber, was die bessere Lösung darstellt, durch Oxidation des Wassers an der Anode unter Freisetzung von Sauerstoff.
Die Sauerstoffzugabe darf in keinem Fall höher ausfallen als die Möglichkeit der Umwandlung in OH&supmin;-Ionen in der kathodischen Zone.
Bei der bevorzugten Lösung bringt man die Anode 3, um die Zugabe der notwendigen Menge gelösten Sauerstoffs zu erreichen, durch eine in das elektrische Steuergerät B integrierte, positive Einstellung auf ein positives Potential bezogen auf das Referenzpotential, d.h. das der Kathode 1. Aus später noch näher erläuterten Gründen wird an die Anode 3 nämlich eine ständige mittlere Spannung angelegt, die von Impulsen besonderer Form überlagert wird.
Man hat festgestellt, daß der gelöste Sauerstoff des zu behandelnden Wassers immer vor der Reduktion des Wassers an der Kathode reduziert wird, was die mögliche Untergrenze des Redoxpotentials (der Kathode 1) erklärt (-0,826 Volt - 0,059 pH), wie dies vorstehend angeführt wurde. Der gelöste Sauerstoff benötigt für seine Reduktion Elektronen, die von der Kathode 1 geliefert werden. Die Erzeugung von OH&supmin;-Ionen kann mittels des Faraday'schen Gesetzes berechnet werden.
wobei I die Stromstärke und Q der Wasserdurchsatz ist.
Im übrigen kann man unter bestimmten Bedingungen den möglichen Redoxpotentialbereich auf den Bereich der kinetischen Hemmung des Wassers bei der Reduktion ausdehnen, allerdings nur über einige Zehntel Volt. Der Strom, der in die elektrolytische Zelle A geführt werden kann, kann außerdem wie folgt bestimmt werden: U = e + R I, eine Gleichung, bei der U die Potentialdifferenz zwischen der Anode und der Kathode, e die gegenelektromotorische Kraft der Zelle, R der Widerstand der Zelle und I die Stromstärke ist. Die durchgeführten Versuche haben ergeben, daß das mittlere Potential der Anode 3 (und das Potential dieser Anode bei unterbrochenem Wasserdurchsatz) auf einem Wert gehalten werden muß, der unter dem Oxidierungs-Redoxpotential des Wassers liegt, um die unkontrollierte Bildung gasförmigen Sauerstoffs und von Wasserstoffprotonen zu verhindern. Das Potential der Anode 3, die am besten aus korrosionsbeständigem Metall wie Titan oder Graphit besteht, muß so sein, daß die Beziehung
U < ( pc + (1,229 Volt - 0,059 pH)
eingehalten wird, in welcher U die mittlere Potentialdifferenz zwischen der Anode und der Kathode und pc der absolute Wert des Redoxpotentials des Kathodenmetalls ist.
Der Wert (1,229 Volt - 0,059 pH) kann in bestimmten Fällen auf den Wert der kinetischen Hemmung des Wassers bei der Oxidation gedrückt werden. Die mittlere Potentialdifferenz zwischen Anode und Kathode wird dann durch folgende Beziehung bestimmt:
U < ( pc + (1,63 Volt - 0,059 pH)
Diese Potentialdifferenz muß natürlich die größtmögliche sein, ohne daß diese Werte überschritten werden.
Die durchgeführten Experimente haben jedoch ergeben, daß mit Potentialunterschieden zwischen Anode und Kathode, wie sie mit den o.g. Funktionen bestimmt wurden, im allgemeinen kein Strom durch Ionenleitung mit ausreichender Stärke erzeugt werden kann. Um dem abzuhelfen, ist einem zusätzlichen Merkmal der Erfindung zufolge vorgesehen, an die Anode außerdem periodische, positive Impulse besonderer Form anzulegen, die von einem Impulsgenerator erzeugt werden. Damit erzielt man mehrere Ergebnisse:
- man kann eine mittlere Potentialdifferenz zwischen der Anode 3 und der Kathode 1 innerhalb der oben genannten Grenzen beibehalten, wobei diese mittlere Potentialdifferenz vor allem von der Amplitude der Impulse abhängt;
- man kann die Oxidationsschwelle des Wassers während der Zeitspanne, in der jeder dieser Impulse vorhanden ist, überschreiten und somit gelösten Sauerstoff erzeugen, der aufgrund eines geeigneten Aufbaus des Hydraulikkreislaufs dann zur Kathode geführt wird, um OH&supmin;-Ionen zu erzeugen, ohne das Potential der Kathode zu verändern;
- man erzeugt eine Stromstärke, die ausreicht, um die für die Umwandlung des gasförmigen Sauerstoffs in OH&supmin;Ionen notwendigen Elektronen zu liefern.
Nachfolgend wird mit Bezug zu insbesondere Figur 2 eine Ausführungsform der elektrischen Steuervorrichtung B beschrieben, welche die Erzeugung der vorgenannten Impulse i ermöglicht. Diese Vorrichtung umfaßt, wie oben gesagt, zwei Ausgangsklemmen, und zwar eine mit der Anode 3 verbundene, positive Ausgangsklemme 2+ und eine mit der Kathode, d.h. dem Behälter 1 verbundene, negative Ausgangsklemme 2-. Die elektrische Steuervorrichtung B umfaßt einen Impulsgenerator 14, dessen Eingang mit dem Stromversorgungsnetz 15 verbunden ist, und zwar über einen Transformator 16 und einen Wasserdurchsatzschalter 17. Der positive Ausgang des Impulsgenerators 14 ist mit der positiven Ausgangsklemme 2+, d.h. der Anode 3, verbunden, und zwar in Serie über einen Meßwiderstand 18, an dessen beiden Klemmen ein Gerät 19 für die Messung und Integration der Stromstärke angeschlossen ist. Dieses Gerät 19 ist über eine Diode 21 an einen Steuereingang des Impulsgenerators 14 angeschlossen.
Das elektrische Steuergerät 2 umfaßt außerdem eine Schaltung 22 zum Messen und Einstellen der mittleren Ausgangsspannung U zwischen den beiden Klemmen 2+ und 2-, d.h. der mittleren Potentialdifferenz zwischen der Anode 3 und der Kathode 1. Die beiden Ausgänge dieser Schaltung 22 sind jeweils mit dem positiven Ausgang des Impulsgenerators 14 und der negativen Ausgangsklemme 2-, d.h. der Kathode 1, verbunden. Ihr Eingang ist mittels einer Diodengleichrichterbrücke 23, eines Siebkondensators 24 und eines Transformators 25 mit dem Stromversorgungsnetz 15 verbunden. Die Schaltung 22 ist schließlich mit einem Potentiometer 27 zur Regelung der mittleren Potentialdifferenz U verbunden.
Dank der eben mit Bezug zu Fig. 2 beschriebenen Schaltung können alle bei dem Verfahren der Erfindung beteiligten Parameter geregelt werden, nämlich mittlere Spannung, Höchstspannung, Frequenz und Stärke der Impulse i, indem sie bezogen auf Sollwerte geregelt werden, welche vor allem die zu liefernde Stärke und die mittlere Potentialdifferenz U zwischen der Anode 3 und der Kathode 1 sind.
Mit der in Fig. 2 dargestellten Schaltung kann eine Potentialdifferenz U zwischen Kathode 1 und Anode 3 in der Weise garantiert werden, daß bei Nichtvorhandensein der Impulse i das Potential der Anode 3 geringer als das Oxidationspotential des Wassers ist. Mit Hilfe dieser Schaltung kann nämlich die Anode 3 bei Nichtvorhandensein eines vom Impulsgenerator 14 ausgesandten Impulses i fest auf ein Potential eingeregelt werden, das höher ist als das der Kathode 1 eines Werts U, welcher der von der Meß- und Regelschaltung 22 bestimmte ist, die einen vom Potentiometer 27 geregelten Sollwert festlegt. Dieser Sollwert von U ist so gewählt, daß er einer Potentialdifferenz zwischen der Anode 3 und der Kathode 1 entspricht, die das Potential der Anode 3 unter die Oxidationsschwelle des Wassers bringt. Diese Potentialdifferenz U, die somit durch Unterbrechung der von dem Impulsgenerator 14 gelieferten Spannung, beispielsweise durch Unterbrechung der Stromversorgung des Transformators 16 beim Öffnen des Schalters 17, erreicht werden kann, hat keinen Einfluß auf das Referenzpotential der Kathode 1.
Ohne Wasserdurchsatz wird der Impulsgenerator 14 - bei geöffnetem Schalter 17 - somit nicht mit Strom versorgt, es gibt keine Impulse i, und die Anode 3 wird auf der Sollspannung U gehalten. Bei Wasserdurchsatz ist der Schalter 17 somit geschlossen und wird der Impulsgenerator 14 mit Strom versorgt. In jedem Intervall zwischen den Impulsen i wird der im Wasser gelöste Sauerstoff an der Kathode 1 zu OH&supmin;-Ionen reduziert, während das Wasser nicht reduziert wird, und während an der Anode 3 die Oxidation des Wasser gehemmt wird, da die Anode 3 nun auf ein Potential gebracht ist, das unter der Oxidationsschwelle des Wassers liegt. Ist ein Impuls i vorhanden, wird der gelöste Sauerstoff an der Kathode 1 immer zu OH&supmin;-Ionen reduziert, nicht aber das Wasser. Dieses Wasser wird jedoch, da das Potential der Anode 3 nun vorübergehend über der Oxidationsschwelle des Wassers liegt, an der Anode 3 oxidiert, um den zusätzlichen gelösten Sauerstoff zu liefern, der für die Erzeugung der OH--Ionen an der Kathode benötigt wird.
Ohne Wasserdurchsatz findet eine Reduktion des im Wasser der elektrolytischen Zelle A enthaltenen, gelösten Sauerstoffs, aber keine Reduktion und keine Oxidation des Wassers statt.
Die Oxidation des Wassers erzeugt bei Vorhandensein der Impulse i im übrigen H&spplus;-Ionen. Diese H&spplus;-Ionen könnten mit CO&sub3;&supmin;&supmin;-Ionen reagieren, die sich an der Kathode oder mit den Ionen HCO&sub3;&supmin; gebildet haben, entsprechend folgenden Reaktionen:
Folglich ist es wünschenswert, daß diese an der Anode erzeugten H&spplus;-Ionen vor ihrer Entwicklung zu CaCO&sub3; nicht auf die an der Kathode erzeugten CO&sub3;&supmin;&supmin;-Carbonationen treffen. Hierzu muß die elektrolytische Zelle A so beschaffen sein, daß die Elektroden durch eine ausreichende Wassermenge getrennt sind und/oder daß diese H&spplus;-Ionen entweder zuerst auf das an HCO&sub3;&supmin;-Ionen reiche und an CO&sub3;&supmin;&supmin;-Ionen arme Rohwasser oder das bereits behandelte Wasser treffen. Dieses Problem wurde bei den Versuchen durch einen besonderen Aufbau des Behälters 1 und seiner Hydraulikversorgung sowie dadurch gelöst, daß in dem Behandlungsbehälter ein Wirbel- oder "Vortex"-Phänomen erzeugt wurde, wie dies nachstehend beschrieben und in Fig. 3 dargestellt ist.
Es wurde eine besonders geeignete, an die entsprechende Behandlung angepaßte Form der von dem Impulsgenerator 14 ausgesandten Impulse i gewählt. Es ist nämlich beim Anstieg jedes Impulses ein sehr schwaches dV (Volt)/dt (Zeit)-Verhältnis erforderlich, wobei gleichzeitig die unerwünschten Phänomene an der Elektrode begrenzt werden und auch eine sehr kurze Impulsdauer erreicht werden soll, damit man eine den weiter oben angeführten Werten entsprechende mittlere Potentialdifferenz U bewahrt. Diese Impulsart weist somit vorzugsweise eine hyperbolische Anstiegsflanke und eine im wesentlichen senkrechte Abfallsflanke auf, wie dies in Fig. 2 dargestellt ist. Diese Impulsform läßt ein optimales Fließen des Stroms beim Anstieg des Impulses i und eine klare Reaktion an der Anode 3 beim Abfall des Impulses zu. Es könnten auch andere Impulsformen verwendet werden, allerdings mit schlechteren Resultaten, beispielsweise in Trapezform oder in Form von Sägezähnen mit gekappten Impulsspitzen, d.h. mit einer Anstiegsflanke geringer Steigung, der eine horizontale Strecke und einer vertikalen oder stark geneigten Abfallsflanke folgt.
Das Verhältnis zwischen Amplitude, Frequenz und Ruhespannung U, die an die Anode bei nichtvorhandenen Impulsen angelegt werden, bestimmen die mittlere Spannung der Anode und die Strommenge, die beim Passieren der Impulse in die Behandlungszelle geleitet wird. Dieser Durchschnittswert kann somit mittels des Geräts 19 zur Stromstärkenmessung und -integration angepaßt werden.
Nach der Erfindung können anhand von Sollwerten alle elektrischen Phänomene automatisch überwacht und angepaßt werden, wobei die Sollwerte vorzugsweise die bei Wasserdurchsatz gewünschte Stromstärke, die Dauer jedes Impulses i, die man auf die kürzestmögliche einstellt, und der Spannungswert U sind.
In dem Schaltkreis wie dem in Fig. 2 dargestellten bestimmt die Frequenz der Impulse i die Stromstärke in der Zelle, und die Amplitude dieser Impulse i bestimmt die mittlere Spannung an der Anode 3 bezogen auf die Referenzspannung der Kathode 1. Zur Sicherheit wird die Spannung der Anode 3 bei Nichtvorhandensein von Impulsen auf einen vorbestimmten Sollwert gesenkt. Dieser Wert entspricht normalerweise dem Sollwert U.
Wie vorstehend gesagt wurde, arbeitet der Impulsgenerator 14 dank des Vorhandenseins des Wasserdurchsatzschalters 17 nur bei Wasserdurchsatz. Somit werden ein übermäßiger Stromverbrauch und Korrosionsgefahren, die mit einer möglichen Reduktion oder der Oxidation des Wassers (Freisetzung von Wasser- und Sauerstoff) verbunden sind, vermieden.
Die mittlere Spannung wird durch die an den Generator angeschlossene Automatik aufrechterhalten. Die Frequenz der Impulse des Generators 14 wird durch die Schaltung 19 (elektronisches Integrationsgerät) je nach der gewünschten Stromstärke bestimmt, die dem Integrationsgerät 19 anfangs als Sollwert eingegeben wird. Die Potentialdifferenz zwischen der Anode 3 und der Kathode 1 zum Zeitpunkt der Impulse i hängt von der gewünschten Stromstärke und der Impulsdauer ab. Die Dauer jedes Impulses kann manuell auf Zeiten von einer Mikrosekunde bis zu einigen Millisekunden eingestellt werden.
Das Wasserbehandlungsverfahren der Erfindung kann in besonders vorteilhafter Weise ebenso mit einer Partikeltrennvorrichtung durch Fluidzirkulation angewandt werden, und genauer in einem Behälter, in dem das zu behandelnde Wasser in Bewegung versetzt wird und einen Wirbel oder "Vortex" bildet.
Eine solche Vorrichtung, wie sie in Fig. 3 und 4 dargestellt ist, bildet somit gleichzeitig eine elektrolytische Zelle A der Erfindung und einen Wirbelbehälter.
So weist diese Vorrichtung einen zylindrischen Metallbehälter 1 mit vertikaler Längsachse yy' auf, der die Kathode der elektrolytischen Zelle A bildet, und der also, wie vorstehend zu sehen war, mit dem negativen Pol 2- der elektrischen Steuervorrichtung B verbunden ist. Der zylindrische Behälter 1 ist an seinem oberen Ende mit einem Deckel 30 verschlossen, der an einem kreisrunden Flansch 32 des Behälters 1 mittels Bolzen 34 befestigt ist, wobei Dichtungen dazwischengesetzt sind. Durch den Deckel 30 führt ein zylindrisches Rohr 36, das an diesen geschweißt ist, in den Behälter 1 ragt und in ein nach unten konisch erweitertes, kegelstumpfförmiges Ende 40 ausläuft, an das sich ein zylindrischer Bereich 41 mit geringerem Durchmesser als der Innendurchmesser des Behälters 1 anschließt, wodurch zwischen beiden ein ringförmiger Durchgangsraum 43 entsteht, durch den ein Wirbel gelangen kann. Im Rohr 36 erstreckt sich axial eine Anode 3, die mit dem Pol 2+ des Steuergeräts B verbunden und am oberen Bereich des Rohrs 36 mit einer Muffe 42 befestigt ist. Der obere Bereich des Rohrs 36 außerhalb des Behälters 1 ist außerdem mittels einer Isoliermuffe 46 mit einer Wasserabzugsleitung 44 verbunden. Der obere Bereich des Behälters 1 nimmt eine an diesem beispielsweise durch Schweißen befestigte Einspritzleitung 48 auf, deren Innenraum in den Behälter 1 mündet. Die Achse xx' dieser Einspritzleitung 48 verläuft quer zur Längsachse yy' des Behälters 1 und tangential zur Innenfläche desselben. Der Außenbereich dieser Leitung weist Anschlußvorrichtungen auf, mit denen sie an eine Vorrichtung zur Versorgung mit zu behandelndem Wasser angeschlossen werden kann. Der untere Bereich des Behälters 1 weist einen ringförmigen Flansch 50 auf, an dem mittels Bolzen 52 eine Sammelkammer 54 befestigt ist, deren Boden mit einer Ablaßleitung 56 ausgestattet ist. Ein axial angeordneter, zylindrischer Halter 58 ist auf der Innenseite der Sammelkammer 54 befestigt und hält in ihrem oberen Bereich eine zur Achse yy' des Behälters 1 quer angeordnete, kreisrunde Ablenkplatte 60, deren Oberseitenumfang abgeschrägt 62 ist. Der Durchmesser der Ablenkplatte 60 ist so bemessen, daß ein Ringkanal bzw. ringförmiger Zwischenraum 63 zwischen dem unteren Bereich des Behälters 1 und der Ablenkplatte 60 entsteht, wobei dieser Zwischenraum 63 einen bestimmten Durchtrittsquerschnitt aufweist, wie dies später noch zu sehen sein wird.
Mit der vorliegenden Anwendungsart der Erfindung kann in dem Behälter 1 ein Wirbel- oder "Vortex"-Phänomen erzeugt werden. Wenn nämlich das Wasser unter Druck durch die Einspritzleitung 48 ankommt, wird das in den Behälter 1 geleitete Wasser durch die tangentiale Ausrichtung der Leitung in eine Drehbewegung versetzt, die, wenn die Wassereinspritzgeschwindigkeit ausreicht, die Entwicklung eines Wirbels ermöglicht, der sich an seiner Basis konzentriert, auf der Ablenkplatte 60 eine Ableitung erfährt und eine aufsteigende, axiale Säule bildet, die gegenströmig geführt wird, zwischen die Innenseite des kegelstumpfförmigen Teils 40 und die Elektrode 3 gelangt und durch die Abzugsleitung 44 nach außerhalb des Behälters 1 gebracht wird.
Natürlich könnte man in dem Bestreben, zu Beginn insbesondere die Entwicklung des Wirbels und das Entstehen der steigenden Axialsäule behandelten Wassers zu fördern, auch mehrere Einspritzleitungen 48 vorsehen, um die Tangentialwirkung auf das zu behandelnde Wasser zu bündeln.
Nach der Erfindung besteht der Behälter 1 aus einem Metall wie Eisen, dessen Redoxpotential, das ein Referenzpotential darstellt, sorgfältig gewählt wurde, um nur bestimmte Reaktionen beim Kontakt mit diesem zuzulassen.
Das in dem Behälter 1 erzeugte Wirbelphänomen ist vor allem für einen vollkommen effizienten Betrieb der Vorrichtung der Erfindung vorteilhaft.
Nach der Erfindung erreicht man nämlich, wie vorstehend beschrieben, eine Reduktion des im Wasser gelösten Sauerstoffs nahe der Kathode, d.h. im vorliegenden Fall nahe der Innenwand des Behälters 1, und bewirkt die Bildung von OH&supmin;- Ionen, die mit den im Wasser in gelöstem Zustand vorhandenen Bicarbonaten reagieren, um nicht lösliche Calciumcarbonatkeime zu bilden. Parallel zu dieser Reaktion, die mit einer Reaktion alkalischer Entkarbonisierung, wie der durch Natriumkarbonateinspritzung erhaltenen, verbunden werden kann, wobei die Konzentration an Ca&spplus;&spplus;-Ionen der Grenzreibschicht beim Kontakt mit dem Behälter 1 ansteigt, wodurch die Calciumcarbonatkeimbildung gefördert wird. Unter der Wirkung des in dem Behälter 1 erzeugten Wirbels werden diese Calciumcarbonatkeime ebenso wie die in Suspension im Wasser enthaltenen festen Partikel in den unteren Bereich des Behälters 1 mitgenommen und durch die dem Wasser verliehene dynamische Wirkung durch den Durchtrittsquerschnitt des zwischen der Basis des Behälters 1 und dem runden Ablenker 60 vorgesehenen, ringförmigen Zwischenraums 63 in die Sammelkammer 54 gefördert, so daß das so geklärte Wasser durch den mittels der Ablenkplatte 60 erzeugten Wirbel aufsteigt und durch die Abzugsleitung 44 abgeführt wird, wie dies oben beschrieben wurde.
Die in der Sammelkammer 54 aufgefangenen Partikel verdicken sich zunehmend zu Schlamm und werden dann durch das Rohr 56 durch Öffnen eines auf der Zeichnung nicht dargestellten Ventils oder Magnetventils entsorgt.
Die vorliegende Anwendungsart der Erfindung sorgt somit für eine praktisch dauerhafte Regenerierung der Kathode, wodurch das Gerät der Erfindung im Dauerbetrieb mit optimaler Leistung arbeiten kann.
Zum anderen ist es bekanntermaßen schwierig, bei einer Elektrolysezelle der für die Erfindung verwendeten Art Lösungsanoden zu verwenden, da durch die Oxidation, die an der Anode stattfindet, Metallkolloide entstehen, die sich mit den im Wasser in Suspension befindlichen Partikeln verbinden und Komplexe bilden, die mit zunehmender Bildung die an der Anode stattfindende Reaktion stören.
Bei der vorliegenden Anwendungsart der Erfindung ist die Verwendung von Lösungsanoden möglich, da durch den in dem Behälter 1 erzeugten Wirbel Komplexe beseitigt werden, die in die Sammelkammer 54 ausgeschieden werden.
Die Verwendung einer Lösungsanode bei einem Gerät der Erfindung mit Wirbel- oder "Vortex"-Effekt ist insbesondere günstig, wenn dieses Gerät in einem Ringleitungsnetz der in Fig. 5 dargestellten Art eingesetzt wird.
Bei dieser besonderen Anwendungsart, die nur eine der vielfältigen Möglichkeiten der Anwendung in Ringleitungsnetzen darstellt, wird das Gerät der vorliegenden Anwendungsform der Erfindung zur Klärung des Wassers eines Beckens 70 eingesetzt. Mit diesem Ziel wird das Wasser aus dem Becken 70 entnommen, und zwar über eine Leitung 71 und eine Pumpe 72, welche dieses über die Wasserzuführleitung 48 in den Behälter 1 spritzt, und zwar mit einem Druck, der ausreicht, um darin, wie oben beschrieben, einen Wirbel- oder "Vortex"-Effekt zu erzeugen, der sich an seiner Basis konzentriert, durch die Reflektorplatte abgeleitet und bildet eine aufsteigende Axialsäule aus geklärtem Wasser, das aus dem Behälter 1 austritt und über eine Leitung 76 in das Becken 70 zurückgeführt wird. Der Strom geklärten Wassers nimmt im Vorbeifließen die an der Anode erzeugten Metallionen mit, da die Anode eine Lösungsanode ist, und diese Ionen werden in die Leitungen 76 und 71 mitgenommen, in denen sie mit den Mineralsalzen des Wassers reagieren und Kolloide bilden, die durch ihre Ablagerung an der Innenfläche der Leitungen 76 und 71 deren Rostschutz gewährleisten. Ihr Überschuß wird bei einem der nächsten Zyklen zum Gerät zurückgeführt, und diese Kolloide werden durch den Wirbeleffekt in die Sammelkammer 51 ausgetragen, aus der sie anschließend in Form von Schlämmen entfernt werden. Auf diese Weise wird mit dem Gerät sichergestellt, daß sich in den Leitungen nur die zu ihrem Korrosionsschutz erforderliche Kolloidmenge befindet, da der Überschuß vom Gerät entfernt wird, so daß er sich in den Leitungen nicht anhäuft, wie man dies im allgemeinen bei den Geräten des Stands der Technik beobachtet.
Durch die richtige Wahl der geeigneten Lösungsanode kann ebenfalls eine chemische Behandlung des in einem Ringleitungsnetz zirkulierenden Wassers erfolgen. So erreicht man bei Verwendung einer Silberanode die Oxidation der in dem Netz 70 enthaltenen organischen Stoffe, womit die Vorrichtung der Erfindung eine bakterizide Funktion erhält. Bei Verwendung einer Kupferelektrode erhält die Vorrichtung der Erfindung algizide Eigenschaften.
Wenn in der vorstehenden Beschreibung auch gesagt wurde, daß das Verfahren und das Gerät der Erfindung vor allem auf die Entkarbonisierung des Wassers anwendbar seien, so können sie natürlich auch für andere Zwecke verwendet werden, vor allem für die Behandlung aggressiven Wassers mit einem hohen Gehalt an gelöstem Sauerstoff, um den Grad an gelöstem Sauerstoff und dadurch die Korrosion zu verringern.

Claims

1. Verfahren zur Elektrolysebehandlung von Wasser, insbesondere zur Entkarbonatisierung, bei dem man mittels Ionenleitung im Wasser einen elektrischen Strom zwischen einer Anode (3) und einer Kathode (1) fließen läßt, die mit dem positiven (2+) bzw. negativen (2-) Pol eines elektrischen Steuergerätes verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß für die Kathode (1) ein Metall gewählt wird, dessen Redoxpotential, das ein während der Elektrolyse bezüglich des Wassers im wesentlichen konstantes Referenzpotential darstellt, höher liegt als die effektive Reduktionschwelle des Wassers, so daß die Reduktion dieses Wassers vermieden wird, und daß während der Elektrolyse die zur Keimbildung des Calciumcarbonat nötigen OH-Ionen ausschließlich ausgehend von dem im Wasser gelösten Sauerstoff erzeugt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode (1) gegen jeglichen Kontakt mit der Erde isoliert ist.

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Sauerstoff durch zuvor stattfindende Lüftung des Wassers gelöst wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Sauerstoff während der Elektrolyse ins Wasser gebracht wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Anode während der Elektrolyse auf einem Potential (U) gehalten wird, das niedriger oder gleich dem Wert der kinetischen Hemmung der Wasseroxidation ist, und das vorzugsweise unter der Oxidationsschwelle des Wassers liegt.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß während eines sehr kurzen Zeitraums das Potential der Anode periodisch auf einen Wert gebracht wird, der größer als die Oxidationsschwelle des Wassers ist, indem eine Folge von periodischen elektrischen Impulsen (i) an die Anode (3) angelegt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß dieser größere Wert durch Überlagerung des an die Anode angelegten Potentials (U) mit der Impulsfolge erzielt wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß an die Anode periodische Impulse (i) angelegt werden, die eine Anstiegsflanke geringer Steigung mit vorzugsweise hyperbolischer Form, und eine senkrechte oder stark geneigte Abfallsflanke haben.

9. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Wasser im Verlauf der Behandlung einer solchen wirbelförmigen Bewegung unterworfen wird, daß die in der Nähe mindestens einer Elektrode gebildeten Elemente von dieser entfernt werden.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die wirbelförmige Bewegung einen Wirbel oder "Vortex" bildet.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der äußere Bereich des Wirbels oder "Vortex" im Verlauf seiner Bewegung mit der Kathode (1) in Kontakt kommt.

12. Vorrichtung zur Elektrolysebehandlung von Wasser zur Entkarbonatisierung mit einer elektrolytischen Zelle (A) und einem elektrischen Steuergerät (B), wobei die elektrolytische Zelle (A) einen Behälter (1) aufweist, mit dem eine Zuführleitung (5,48) für das zu behandelnde Wasser und eine Abflußleitung (7,44) für das behandelte Wasser verbunden sind und in den mindestens eine Anode (3) eingesetzt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode der elektrolytischen Zelle (A) vom Behälter (1) gebildet und als Referenzelelektrode verwendet wird, und daß dieser Behälter (1) aus einem Metall besteht, dessen Redoxpotential über der Reduktionsschwelle des Wassers liegt.

13. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter (1) gegen Erde isoliert ist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Anode (3) in den Behälter (1) hineinragt und durch eine Isoliermuffe (4,38) elektrisch isoliert ist.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuführungsrohranschlüsse (5) für das zu behandelnde Wasser und die Abflußrohranschlüsse (7) des behandelten Wassers im Inneren des Behälters (1) enden, und von der Wandung dieses Behälters durch Isoliermuffen (6,8) elektrisch isoliert sind, und daß die elektrische Verbindung zwischen diesen Rohranschlüssen (5,7) durch einen Leiter (9) gebildet wird, der den Behälter (1) nicht berührt.

16. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter (1) Einrichtungen aufweist, die im Inneren dieses Behälters einen Wirbel oder "Vortex" erzeugen, dessen äußere bzw. innere Randbereiche in Kontakt mit den Wänden des die Kathode bildenden Behälters (1) bzw. mit der Anode (3) kommen.

17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter (1) aus einem mit senkrechter Längsachse (yy') angeordneten zylindrischen Rohr mit verschlossenem oberen Ende besteht, an dem Einspritzeinrichtungen (48) für das zu behandelnde Wasser vorgesehen sind, welche zur Erzeugung eines Wirbels im Behälter tangential zu dessen Innenwand (1) ausgerichtet sind, daß der Behälter (1) an seiner Basis einen Ringkanal (63) zur Abführung der im zu behandelnden Fluid enthaltenen Partikel und eine Sammelkammer (54) zum Auffangen der Partikel aufweist und daß am unteren Ende des Behälters (1) in der Mitte des Ringkanals (63) Ablenkteile (60) zur Bildung einer axialen Säule aus behandeltem Fluid und am oberen Teil des Behälters (1) axiale Abführeinrichtungen (36) zum Abführen der axialen Säule aus behandeltem Fluid aus dem Behälter (1) vorgesehen sind.

18. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Anode (3) die Form eines zylindrischen Stabs hat, der längs der Achse (yy') des Behälters (1) angeordnet ist, und daß die axialen Abführeinrichtungen aus einem Rohr (36) bestehen, welches die Anode (3) umgibt und mit der Wasserabflußleitung (44) verbunden ist.

19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Anode (3) auflösbar ist.

20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß sie in einem Ringleitungsnetz angeordnet ist, d.h. daß ihre Zuleitung (5,48) und ihr Abfluß (7,44) in Verbindung mit derselben Wasserversorgung (70) stehen.

21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrische Steuergerät (B) einen Generator für periodische Impulse (14), dessen Ausgang mit der Anode (3) der elektrolytischen Zelle (A) verbunden ist, und Meß- und Integrationseinrichtungen (18,19) für die Stärke in der elektrolytischen Zelle (A) fließenden elektrischen Strom aufweist, die mit dem Impulsgenerator (14) derart verbunden sind, daß sie den Betrieb dieses Generators abhängig von der Stromstärke steuern.

22. Vorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß der Impulsgenerator (14) Impulse (i) mit Anstiegsflanken geringer Steigung und senkrechten oder steilen Abfallsflanken erzeugt.

23. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrische Steuergerät (B) eine Meß- und Regelschaltung (22) für die Ausgangsspannung (U) zwischen seinen beiden Ausgangsanschlußklemmen (2+,2-), d.h. für die mittlere Potentialdifferenz zwischen der Anode (3) und der Kathode (1), und ein mit der Meß- und Regelschaltung (22) verbundenes Potentiometer (27) zur Regelung dieser Differenz aufweist.

24. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen die Stromversorgungsquelle (15) und die Schaltung (14,22) des elektrischen Steuergerätes (B) mindestens ein bei Wasserdurchsatz geschlossener und ohne Wasserdurchsatz geöffneter Kontaktgeber (17) geschaltet ist.