DE69107992T2 - Verfahren zur elektrolytischen Herstellung von Ozon und Vorrichtung dazu. - Google Patents

Description

Fachgebiet der Erfindung
• Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Ozon durch Elektrolyse von Wasser und eine Vorrichtung dazu. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Produktion von Ozongas für den Einsatz bei der Aufbereitung von Swimmingpool-Wasser, bei der Behandlung von Mikroplättchen in der Halbleiterfertigung, oder bei chemischen Reaktionen. Das Verfahren und die Vorrichtung erzeugen eine hohe Stromausbeute und eine hohe Ozonkonzentration ohne bei der Ozongasisolierung eine Gas-Flüssigkeit- Abscheidung durchzuführen.
Hintergrund der Erfindung
• Als starkes und reines Oxidations- oder keimtötendes Mittel erregt Ozon zunehmend Aufmerksamkeit. Der Einsatz von Ozon insbesondere bei der Wasseraufbereitung nimmt zu, weil die Behandlung mit Ozon vorteilhaft ist. Weil z.B. das Produkt der Ozonzerlegung Sauerstoff ist, enthält mit Ozon behandeltes Wasser keinerlei zurückbleibende Substanzen (ungleich dem herkömmlichen mit Chlor behandelten Wasser). Desweiteren ist die Zerlegungsrate von Ozons so hoch, daß das Ozon selbst nicht im aufbereiteten Wasser zurückbleibt und sich folglich keine Probleme einer Sekundärverschmutzung ergeben.
• Herkömmlicherweise wurden zur Produktion von Ozon, das wie oben beschrieben ein nützliches Oxidationsmittel ist, hauptsächlich elektrische Entladungsverfahren und Elektrolyseverfahren angewendet. Das elektrische Entladungsverfahren besitzt die Vorteile einer kleinen Energieeinheit, die niedrige Betriebskosten fordert. Die Nachteile dieses Verfahrens liegen jedoch darin, daß die erzielbare Ozonkonzentration niedrig ist, das produzierte Ozongas eine große Menge an Verunreinigungen enthält, und die Anlage dazu neigt, von umfangreicher Größenordnung zu sein. Auf der anderen Seite besitzt das Elektrolyseverfahren den Nachteil einer großen Energieeinheit, besitzt aber den Vorteil, daß es durch die Verwendung einer Elektrolysezelle kleiner Größenordnung in der Lage ist. eine hohe Konzentration von Ozongas höchster Reinheit zu erzielen. Daher wird aufgrund der Vorteile von Reinheit des Produkts und Einfachheit der Operationen gegenwärtig haupsächlich das Elektrolyseverfahren angewendet, obwohl seine Energieeinheit groß ist.
• Bei dem Elektrolyseverfahren wird ein elektrolytischer Ozonerzeuger (elektrolytischer Ozonisator) eingesetzt, der als Anode eine Elektrode auf Bleioxidbasis verwendet, die eine hervorragende Ozonentwicklungsfunktion zeigt und aufgrund eines solchen Ozonisators kann durch die Durchführung fast derselben Arbeitsvorgänge wie bei der gewöhnlichen Elektrolyse von Wasser Ozon von hoher Konzentration erzielt werden. Bei diesem elektrolytischen Ozonerzeuger wird als Ausgangsmaterial Reinwasser (ionenausgetauschtes Wasser) und als Festelektrolyt hauptsächlich eine Ionenaustauschmembran auf Perfluorkohlenstoff- Sulfonsäurebasis in Kombination mit einem Bleidioxid als Anode verwendet, um Ozon zu erzeugen. Durch dieses Verfahren kann Sauerstoff erzielt werden. der Ozongas mit einer Konzentration von ungefähr 15% enthält. Der auf diese Weise produzierte ozonhaltige Sauerstoff kann verwendet werden wie er ist. oder nachdem er in Wasser gelöst wurde, um ozonhaltiges Wasser zu ergeben. Weil der in diesem Elektrolyseverfahren verwendete Ozonerzeuger einen einfachen Aufbau besitzt und seine Wirkungsweise, wie oben beschrieben, einfach ist, konzentriert sich die Aufmerksamkeit nun auf die Vorrichtung, die unter den kleine Mengen Ozon erzeugenden Ozonisatoren kleiner Größenordnung als Ozonerzeuger gilt. der Ozon mit einer hohen Konzentration erzeugt.
• Dieser Ozonerzeuger weist, obwohl er eine ausgezeichnete Wirkungsweise zeigt, jedoch einige Nachteile auf. Die Elektrolysezelle dieser Vorrichtung verwendet als Festelektrolyt normalerweise eine Kationenaustauschmembran, auf der eine Anode und eine Kathode festsitzend angeordnet sind, und Reinwasser oder ionenausgetauschtes Wasser wird als Rohwasser der Anodenkammerseite zugeführt, wo Ozon entsteht. Bei dieser Vorrichtung entstehen Ozon und Sauerstoff in der Anodenkammer und Wasserstoffionen und andere Kationen wandern, zusammen mit dem begleitenden Wasser, durch den Festelektrolyten zur Kathodenkammer, wobei an der Kathode Wasserstoff entsteht. Bei dieser Vorrichtung wandern alle in der Anodenkammer erzeugten Kationen durch den Festelektrolyten zur Kathodenkammer, während die Anionen sich in der Anodenkammer ansammeln, weil sie nicht in der Lage sind, den Festelektrolyten zu passieren. Aufgrund der Ansammlung von Anionen nimmt die elektrische Leitfähigkeit des Anolyten in der Anodenkammer zu und die Stromausbeute nimmt ab.
• Obwohl die angesammelten Anionen vom Anolyten durch Umwälzung des Anolyten zur Außenseite der Zelle und Behandlung z.B. mit einem Ionenaustauschharz entfernt werden können, ist es mühsam, dieses Behandlungsverfahren zu übernehmen, weil das verwendete Ionenaustauschharz durch das Ozon, das im gerade behandelten Anolyten enthalten ist, verschlechtert wird. Aus diesem Grund ist das Ausblasen des Anolyten der einzig praktische Weg, um die angesammelten Anionen zu entfernen. Das Ausblasen des Anolyten ist jedoch darin von Nachteil, daß die Vorrichtung notwendigerweise einen komplizierten Aufbau besitzt. Der ausgeblasene Anolyt sollte einer Ozonzerlegungsbehandlung etc. unterzogen, und die Menge des Reinwassers oder ionenausgetauschten Wassers, das als Rohwasser zugeführt wird, erhöht werden.
Zusammenfassung der Erfindung
• Eine Aufgabe vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Ozonerzeugung mit einer hohen Stromausbeute und einer hohen Ozonkonzentration ohne Notwendigkeit des Entfernens angesammelter Ionen vom Anolyten anzugeben.
• Eine weitere Aufgabe vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur praktischen Anwendung des obenbeschriebenen Verfahrens anzugeben.
• Die vorliegende Erfindung sieht im ersten Ausführungsbeispiel ein Verfahren zur elektrolytischen Ozonerzeugung vor, das das Zuführen von Rohwasser zu einer mittels eines Festelektrolyten in eine Anodenkammer und eine Kathodenkammer unterteilten Ozonerzeugungselektrolysezelle -wobei das Zuführen von Rohwasser allein zur Kathodenkammer geschieht- und das Durchführen der Elektrolyse umfaßt, um dadurch in der Anodenkammer Ozon zu produzieren.
• Die vorliegende Erfindung sieht in einem zweiten Ausführungsbeispiel desweiteren einen elektrolytischen Ozonerzeuger vor, der eine Ozonerzeugungselektrolysezelle umfaßt, die durch einen Festelektrolyten in eine Kathodenkammer und eine Anodenkammer unterteilt ist, wobei die Kathodenkammer mit einer Gas-Flüssigkeit- Abscheidesäule verbunden und mit Rohwasser gefüllt ist, und die Anodenkammer im wesentlichen kein anderes Wasser enthält, als das Rohwasser, das den Festelektrolyten von der Kathodenkammer her durchdrungen hat.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
• Die begleitende Zeichnung ist eine schematische, vertikale Schnittansicht eines Ausführungsbeispiels des Ozonerzeugers gemäß vorliegender Erfindung.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
• Das Verfahren der Ozonerzeugung und die Vorrichtung dazu gemäß vorliegender Erfindung sind dadurch gekennzeichnet, daß das Rohwasser allein der Kathodenkammer zugeführt wird, um verschiedene Nachteile zu beseitigen, die mit dem Gebrauch eines Anolyten bei der elektrolytischen Ozonerzeugung verbunden sind wie z.B. die Gas-Flüssigkeit-Abscheidung zum Trennen des Anolyten und des Ozons, die Verschlechterung des Ionenaustauschharzes bei der Entfernung angesammelter Ionen aufgrund des im Anolyten vorhandenen Ozons, und die Abnahme der Stromausbeute aufgrund der angesammelten Ionen.
• Die in vorliegender Erfindung verwendete Elektrolysezelle besitzt einen Aufbau des Typs, bei dem eine Ionenaustauschmembran, vorzugsweise eine Ionenaustauschmembran auf Perfluorkohlenstoff-Sulfonsäurebasis, als Festelektrolyt verwendet wird (sog. SPE-Typ). Diese Ionenaustauschmembran ist auf der einen Seite mit einem Anodenmaterial bedeckt und auf der anderen Seite mit einem Kathodenmaterial. Es ist wünschenswert, daß die Ionenaustauschmembran eine kationendurchlässige Membran ist, weil dieser Membrantyp den in der Kathodenkammer erzeugten Anionen erlaubt die Membran zu durchdringen und in die Anodenkammer hineinzukommen. Dies verhindert die Hemmung der Ozonerzeugungsreaktion auf der Anodenoberfläche durch die Anionen.
• Das Material für die Anodenkammer der Elektrolysezelle ist, so lange es Ozonresistenz besitzt, nicht in besonderer Weise beschränkt. Zum Beispiel kann Titan, Teflon oder ähnliches verwendet werden. Als Material für die Kathodenkammer kann Titan, nichtrostender Stahl, Teflon , PVC, Polypropylen oder ähnliches verwendet werden.
• Das Anodenmaterial und das Kathodenmaterial, die die jeweiligen Seiten der obenbeschriebenen Ionenaustauschmembran bedecken, sind nicht in besonderer Weise beschränkt. Das Anodenmaterial kann z.B. β-Bleidioxid oder ähnliches, und das Kathodenmaterial kann z.B. ein Metall der Platingruppe oder eines ihrer Oxide sein. Im Falle β-Bleidioxid als Anodenmaterial verwendet wird, ist es wünschenswert, daß ein Titansubstrat, das Mikroporen aufweist, zuerst mit einem Grundüberzug z.B. aus Platin, Gold etc. abgedeckt wird, und dann mittels galvanischer Metallabscheidung darauf eine Schicht β-Bleidioxid aufgeformt wird. Im Falle Platin, Rutheniumoxid oder ähnliches als Kathodenmaterial verwendet wird, ist es wünschenswert daß ein Substrat, das aus Titan rostfreiem Stahl oder Kohlenstoff hergestellt ist und Mikroporen aufweist, mit einer Paste überzogen wird, die durch Kneten eines Pulvers aus Platin oder einem anderen gewünschten Kathodenmaterial mit einem Bindemittel hergestellt wird. Unmittelbar danach wird das überzogene Substrat einer Warmpreßformung unterzogen.
• Anstelle der Beschichtung von Substraten mit Elektrodenmaterialien wie oben beschrieben, kann eine Elektrolysezelle durch ein Verfahren hergestellt werden, bei dem jedes Elektrodenmaterial separat von der Ionenaustauschmembran hergestellt wird. Die Elektrodenmaterialien und die Ionenaustauschmembran werden in der Anordnung Anodenmaterial/Ionenaustauschmembran/Kathodenmaterial aufeinandergeschichtet. Nachdem sie zwischen Zuleitungsmaterialien gelegt wurde, wird die aufeinandergeschichtete Struktur, zusammengebolzt.
• Bevorzugte Elektrolysebedingungen schließen eine Stromdichte von ungefähr 50- 150 A/dm², eine Zellenspannung von ungefähr 3,0 -3,5V, und eine Flüssigkeitstemperatur von ungefähr 25 - 35ºC ein. Es sollte beachtet werden, daß es Fälle gibt bei denen die Temperatur entsprechend der Strommenge wegen der durch die Elektrolyse erzeugten Warme zu stark erhoht. In einem solchen Falle ist es wunschenswert die Temperatur mittels Kuhlwasser zu senken.
• Es ist wünschenswert, daß das Rohwasser, das der Kathodenkammer der Elektrolysezelle zugeführt werden soll, zuvor deionisiert wird, um die Ionenaustauschmembran zu schützen.
• Nach Zuführen von Rohwasser allein zur Kathodenkammer der Elektrolysezelle und Anlegen von Elektrizität zwischen beide Elektroden, entwickelt sich durch gewöhnliche Wasserelektrolyse in der Kathodenkammer Wasserstoffgas, und zur selben Zeit durchdringt ein Teil des Rohwassers in der Kathodenkammer das Kathodenmaterial und den Festelektrolyten, um die Anodenkammer zu erreichen. Das Rohwasser, das die Anodenkammer erreicht, wird dann an der Anodenoberfläche elektrolytisch zersetzt, um Ozon und Sauerstoff zu erzeugen.
• Weil in der Anodenkammer keine Flüssigphase gegeben ist, kann das erzeugte Gasgemisch aus der Zelle entfernt werden so wie ist. Deshalb gibt es keinen Bedarf zum Ausstatten der Anodenkammer mit einer Gas-Flüssigkeit-Abscheidesäule, wie bei den herkömmlichen Vorrichtungen, und folglich können Ozonverlust und Ozonkonzentrationsabnahme, die beide der Gas-Flüssigkeit-Abscheidung etc. zuzuschreiben sind, vermieden werden und Ozongas von hoher Konzentration kann hergestellt werden.
• Desweiteren treten eine Abnahme der Stromausbeute und eine Zunahme der elektrischen Leitfähigkeit des Anolyten (wegen des Einschlusses von Unreinheiten im Anolyten, der mit herkömmlichen elektrolytischen Ozonerzeugern verknüpft ist) bei der elektrolytischen Ozonerzeugung gemäß vorliegender Erfindung niemals auf. Daher kann, wenn die Auswahl des Felstelektrolyten und andere Vorgehensweisen zweckmäßig durchgeführt werden, eine verbesserte Ozonerzeugungsausbeute erzielt werden, die 20 bis 50% höher liegt, als die des herkömmlichen Verfahrens. bei dem das Rohwasser der Anodenkammer zugeführt wird. Zusätzlich lindert das Verfahren vorliegender Erfindung das Erfordernis, den Anolyten mit einem Ionenaustauschharz etc. zu behandeln, was bis dahin als Behandlung notwendig gewesen war.
• Die Stromausbeute bei der Ozonerzeugung hängt außerordentlich vom Festelektrolyten ab. Im Falle der Festelektrolyt eine Ionenaustauschkapazität von 0,5 bis 5 meq/g und eine Membrandicke von 0,03 bis 0,3 mm aufweist und die Ionenclusterdurchmesser im Bereich von 10 bis 100 Å reguliert werden, kann die Stromausbeute im Bereich von 10 bis 200 A/dm² (welches der Stromdichtebereich ist, der unter praktischen Gesichtspunkten in umfangreicher Weise genutzt wird) beibehalten werden.
• Wie oben beschrieben wurde, ist die Verwendung von hochreinem Rohwasser, d.h. Reinwasser oder ionenausgetauschtes Wasser, bei der elektrolytischen Produktion von Ozon wünschenswert und derartiges Rohwasser ist relativ teuer. Bei der vorliegenden Erfindung ist die Menge des im gesamten Prozeß verbrauchten Rohwassers theoretisch fast gleich der Menge an Rohwasser, der durch die Elektrolyse selbst verbraucht wird; folglich gibt es keinen Bedarf, kostspieliges Rohwasser zu verschwenden.
• Außerdem kann, weil auf der Anodenkammerseite im wesentlichen keine Flüssigphase gegeben ist, die Verschlechterung des Elektrodenmaterials aufgrund von Verluststrom, vermieden werden, und desweiteren ist es, wenn das Anodenmaterial einen ungenügenden Gegenstromwiderstand aufweist, ebenso möglich, den Schutzstrom zu minimieren.
• Der elektrolytische Ozonerzeuger der vorliegenden Erfindung wird unter Bezugnahme auf ein Ausführungsbeispiel des Ozonerzeugers (das in der begleitenden Zeichnung gezeigt ist) unten im einzelnen erläutert, dieses Ausführungsbeispiel sollte aber nicht so aufgefaßt werden, daß es den Anwendungsbereich der Erfindung begrenzt.
• Eine kastenförmige Ozonerzeugungselektrolysezelle 1 ist mittels eines Festelektrolyten 2, der von einer Ionenaustauschmembran gebildet wird, in eine Anodenkammer 3 und eine Kathodenkammer 4 unterteilt. Der Festelektrolyt 2 ist auf seiten der Anodenkammer 3 mit einer Anodenmaterialschicht 5, die z.B. aus einem Bleidioxidpulver besteht, und auf seiten der Kathodenkammer 4 mit einer Kathodenmaterialschicht 6, die z.B. aus Platin besteht, bedeckt, wobei sowohl die Anodenmaterialschicht 5 als auch die Kathodenmaterialschicht 6 von einer bilderrahmenförmigen Dichtung 7 umrahmt werden. Ein netzförmiges Anoden- Stromzuleitungselement 8 ist mit der Seitenfläche der Anodenmaterialschicht 5 verbunden, während ein netzförmiges Kathoden-Stromzuleitungselement 9 mit der Seitenfläche der Kathodenmaterialschicht 6 verbunden ist.
• In der Seitenwand der Anodenkammer 3 ist eine Abzugsöffnung 10 für das erzeugte, ozonhaltige Gas ausgeformt.
• Neben der Kathodenkammer 4 ist ein eine Gas-Flüssigkeit-Abscheidesäule 11 angeordnet. Die Kathodenkammer 4 und die Gas-Flüssigkeit-Abscheidesäule 11 sind an ihren oberen Teilen durch eine Wasserstoffabzugsöffnung 12 und an ihren unteren Teilen durch eine Rohwasserzuführöffnung 13 miteinander verbunden.
• Beim praktischen Betrieb der Ozonherstellung, die einen Ozonerzeuger mit obenbeschriebenem Aufbau verwendet, wird Rohwasser, wie z.B. Reinwasser, ionenausgetauschtes Wasser oder ähnliches durch die Rohwasserzuführöffnung 13 allein dem Inneren der Kathodenkammer 4 zugeführt. Dann wird durch die beiden Stromzuführungselemente 8 und 9 Elektrizität an die Anodenmaterialschicht 5 (die als Anode fungiert) und die Kathodenmaterialschicht 6 (die als Kathode fungiert) angelegt, während das Innere der Anodenkammer 3 frei von einer Flüssigphase gehalten wird. Die Anodenkammer 3 wird vorzugsweise in einem Gasphasenzustand gehalten, der durch Austauschen der Innenluft durch Ozon oder Sauerstoff gebildet wird.
• Durch Elektrolyse von Rohwasser entwickelt sich an der Oberfläche der Kathodenmaterialschicht 6 Wasserstoffgas. Das Wasserstoffgas (das in Form eines Gas-Flüssigkeit-Gemischs vorliegt) wird wie es ist durch die Wasserstoffabzugsöffnung 12 zur Gas-Flüssigkeit-Abscheidesäule 11 geleitet, wo das Gas vom Wasser getrennt wird. Das abgeschiedene Wasserstoffgas wird dann durch den oberen Teil der Abscheidesäule 11 entnommen. Das als Ergebnis der Gas-Flüssigkeit-Abscheidung zurückgelassene Rohwasser wird durch die Rohwasserzuführöffnung 13 wieder in die Kathodenkammer 4 eingeführt und die Elektrolyse wird fortgesetzt.
• Ein Teil des Rohwassers (Elektrolyten) in der Kathodenkammer 4 durchdringt zuerst die Kathodenmaterialschicht 6 und dann den Festelektrolyten 2, um die Anodenmaterialschicht 5 zu erreichen, wo es mittels einer anodischen Oxidationsreaktion elektrolytisch oxidiert wird, um ein Gasgemisch aus Ozon und Sauerstoff zu erzeugen. Weil in der Anodenkammer 3 keine Flüssigphase gegeben ist, erreicht dieses Gasgemisch niemals einen Gas-Flüssigkeit-Mischzustand (unähnlich den Gasgemischen, die in herkömmlichen Elektrolysezellen produziert werden) und folglich kann es ohne Durchführung einer Gas-Flüssigkeit-Abscheidung durch die Abzugsöffnung 10 entnommen werden.
• Weil ein Anolyt in der in der Zeichnungen gezeigten Elektrolysezelle 1 wie oben beschrieben nicht vorhanden ist, sind die Abscheidung des Gasgemischs aus Ozon und Sauerstoff vom Anolyten, die für herkömmliche ozonerzeugende Elektrolysezellen ein notwendiger Bestandteil des Betriebs war, und die Behandlung zum Entfernen der in herkömmlichen Anolyten angesammelten Anionen und Verunreinigungen für die Ozonproduktion gemäß vorliegender Erfindung unnötig. Desweiteren stellt sich für die elektrolytische Ozonproduktion gemäß vorliegender Erfindung nicht das herkömmliche Problem, daß die elektrische Leitfähigkeit des Anolyten zunimmt und die Stromausbeute wegen den im Anolyten vorhandenen Anionen und Unreinheiten abnimmt.
• Sowie die Elektrolyse voranschreitet, reduziert sich die Menge des Rohwassers (Elektrolyten) in der Kathodenkammer. Die Elektrolyse kann jedoch durch Versorgung der Gas-Flüssigkeit-Abscheidesäule 11 mit Rohwasser von lediglich der Menge, die der verbrauchten Menge gleicht, fortgeführt werden. Somit besteht keine Notwendigkeit. eine große Menge an Rohwasser zuzuführen (wie in den herkömmlichen Ozonerzeugungselektrolysezellen).
• Das Verfahren der elektrolytischen Ozonerzeugung gemäß vorliegender Erfindung, das die Zuführung von Rohwasser zu einer mittels eines Festelektrolyten in eine Anodenkammer und eine Kathodenkammer unterteilten Ozonerzeugungselektrolysezelle und die Durchführung der Elektrolyse umfaßt, um dadurch in der Anodenkammer Ozon zu produzieren, und das dadurch charakterisiert ist, daß das Zuführen von Rohwassers zur Kathodenkammer geschieht, bewirkt die folgenden Ergebnisse.
• Weil in der Anodenkammer im wesentlichen keine Flüssigphase gegeben ist, kann das erzeugte Gasgemisch aus der Zelle entnommen werden wie es ist. Deshalb gibt es keinen Bedarf, die Anodenkammer wie bei den herkömmlichen Vorrichtungen mit einer Gas-Flüssigkeit-Abscheidesäule zu versehen. Weil Ozonverlust und Abnahme der Ozonkonzentration beide der Gas-Flüssigkeit-Abscheidung zuzuschreiben sind, kann Ozongas hoher Konzentration produziert werden.
• Desweiteren wird eine Abnahme der Stromausbeute und eine Zunahme der elektrischen Leitfähigkeit des Anolyten wegen des Einschlusses von Unreinheiten im Anolyten, die mit herkömmlichen elektrolytischen Ozonerzeugern verbunden sind, bei der elektrolytischen Ozonerzeugung gemäß vorliegender Erfindung niemals vorkommen. Daher kann, wenn die Auswahl des Festelektrolyten und andere Vorgehensweisen zweckmäßig durchgeführt werden, eine verbesserte Ozonerzeugungsausbeute erzielt werden, die 20 bis 50% höher liegt, als die eines herkömmlichen Verfahrens, bei dem der Anodenkammer Rohwasser zugeführt wird. Zusätzlich erfordert das Verfahren vorliegender Erfindung nicht die herkömmlicherweise erforderliche Behandlung des Anolyten mit einem Ionenaustauschharz etc.
• Überdies ist im Verfahren vorliegender Erfindung die Menge des im gesamten Prozeß verbrauchten Rohwassers theoretisch fast gleich der Menge an Rohwasser, der durch die Elektrolyse selbst verbraucht wird und folglich ist es nicht nötig, kostspieliges Rohwasser zu verschwenden.
• Desweiteren kann, weil auf der Anodenkammerseite im wesentlichen keine Flüssigphase vorhanden ist, eine Verschlechterung des Elektrodenmaterials wegen eines Verluststroms vermieden werden, und desweiteren ist es wenn das Anodenmaterial einen ungenügenden Gegenstromwiderstand aufweist ebenso möglich, den Schutzstrom zu minimieren.
• Der Ozonerzeuger gemäß vorliegender Erfindung, der eine Ozonerzeugungselektrolysezelle umfaßt, die mit einem Festelektrolyten in eine Kathodenkammer und eine Anodenkammer unterteilt ist, und der desweiteren dadurch gekennzeichnet ist daß die Kathodenkammer mit einer Gas-Flüssigkeit- Abscheidesäule verbunden und mit Rohwasser gefüllt ist und die Anodenkammer im wesentlichen kein Rohwasser enthält als das Rohwasser, das den Festelektrolyten von der Kathodenkammer her durchdrungen hat, beseitigt die Notwendigkeit einer Gas-Flüssigkeit-Abscheidung und erzielt, gleich dem obenbeschriebenen Verfahren vorliegender Erfindung eine erhöhte Stromausbeute etc.. Der Ozonerzeuger hat demzufolge Verfahrensmerkmale verbessert und kann bei der Ozonherstellung eine beträchtliche Kostenminderung erzielen.
• Die vorliegende Erfindung wird unten unter Bezugnahme auf die folgenden Beispiele, in denen die Ozonherstellung durch Verwendung eines Ozonerzeugers gemäß vorliegender Erfindung durchgeführt wird, weiter erläutert.
Beispiel 1
• Gemäß begleitender Zeichnung wurde ein Ozonerzeuger wie folgt konstruiert.
• Unter Verwendung einer Perfluorsulfonsäuremembran (Nafion 117, ein Produkt von Du Pont) mit einer Länge von 10 cm, einer Breite von 10 cm, einer Dicke von 0,18 mm und einer Ionenaustauschkapazität von 0.9 meq/g, als Festelektrolyt wurde eine Elektrolysezelle mit einer Elektrodenfläche von 1 dm², einem Anodenkammerfassungsvermögen von 100 cm³, und einem Kathodenkammerfassungsvermögen von 800 cm³ konstruiert, wobei das Anodenmaterial aus β-Bleidioxid und das Kathodenmaterial aus Platin bestand. Das Anodenmaterial war mit einem Anoden-Stromzuführungselement verbunden, das aus einem netzförmigen Sinterkörper bestand, den man durch Zusammensintern von Titanfeinfasern erhält, während das Kathodenmaterial mit einem Kathoden- Stromzuführungselement verbunden war, das aus einem netzförmigen Sinterkörper bestand, den man durch Zusammensintern von rostfreien Stahlfeinfasern erhält. Neben der Kathodenkammer wurde eine Gas-Flüssigkeit-Abscheidesäule angeordnet, in der ionenausgetauschtes Wasser, das durch Deionisierung mit einem Ionenaustauschharz vorbereitet wurde, als Rohwasser gespeichert wurde. Zum Zuführen des Rohwassers zur Kathodenkammer und Umwälzen des Wassers wurde eine Pumpe benutzt.
• Durch Zuführung eines elektrischen Stroms von 50 A (Stromdichte 50 A/dm²) zur Elektrolysezelle wurde die Elektrolyse für 24 Stunden fortgesetzt. Die Folge war, daß die Stromausbeute bei der Ozonerzeugung in diesem Zeitraum durchschnittlich 13% betrug.
• Die in der Kathodenkammer verbrauchte Menge Rohwasser betrug 0,4 Liter, was fast der durch die Elektrolyse verbrauchten Menge entsprach.
Beispiel 2
• Die Ozonerzeugung wurde unter denselben Bedingungen wie in Beispiel 1 durchgeführt mit der Ausnahme, daß Menge des zugeführten elektrischen Stroms auf 100 A (Stromdichte 100 A/dm²) abgeändert wurde. Als Folge betrug die Stromausbeute bei der Ozonerzeugung durchschnittlich 15%.
Beispiel 3
• Die Ozonerzeugung wurde unter denselben Bedingungen wie in Beispiel 2 durchgeführt mit der Ausnahme, daß die Dicke des Felstelektrolyten auf 0,09 mm abgeändert wurde. Als Folge erhöhte sich die Stromausbeute bei der Ozonerzeugung auf durchschnittlich 16%.
Beispiel 4
• Die Ozonerzeugung wurde unter denselben Bedingungen wie in Beispiel 1 durchgeführt mit der Ausnahme, daß die Ionenaustauschkapazität des Festelektrolyten auf 1,1 meq/g geändert wurde. Als Folge betrug die Stromausbeute bei der Ozonerzeugung durchschnittlich 15%.
Vergleichsbeispiel 1
• Die Elektrolyse wurde für 24 Stunden unter denselben Bedingungen wie in Beispiel 1 durchgeführt, mit der Ausnahme, daß auch die Anodenkammer mit demselben Rohwasser gefüllt wurde. wie das der Kathodenkammer zugeführte. Als Folge betrug die Stromausbeute bei der Ozonerzeugung in diesem Zeitraum durchschnittlich 12%, und die elektrische Leitfähigkeit des Rohwassers (Elektrolyten) stieg von 2 u S/cm auf 25 uS/cm an. Desweiteren betrug die verbrauchte Menge Rohwasser in der Anodenkammer und Kathodenkammer 2,5 Liter, was ungefähr der sechsfachen Menge des in Beispiel 1 in der Kathodenkammer verbrauchten Rohwassers entsprach.
• Wenn die Erfindung auch im einzelnen und unter Bezugnahme auf spezifische Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, so wird doch für einen Fachmann offensichtlich sein, daß dabei verschiedene Änderungen und Modifikationen ausgeführt werden können, ohne den Geist und den Anwendungsbereich der Erfindung zu verlassen.

Claims (9)

1. Verfahren zur elektrolytischen Ozonherstellung, umfassend das Zuführen von Rohwasser zu einer mittels eines Festelektrolyten in eine Anodenkammer und eine Kathodenkammer unterteilten Ozonerzeugungselektrolysezelle, wobei das Zuführen von Rohwasser allein zur Kathodenkammer geschieht, und das Durchführen der Elektrolyse, um dadurch in der Anodenkammer Ozon zu produzieren.

2. Verfahren zur elektrolytischen Ozonherstellung nach Anspruch 1, wobei der Festelektrolyt eine kationendurchlässige Ionenaustauschmembran ist.

3. Verfahren zur elektrolytischen Ozonherstellung nach Anspruch 2, wobei die Ionenaustauschmembran eine Ionenaustauschmembran auf Perfluorkohlenstoff- Sulfonsäurebasis ist.

4. Verfahren zur elektrolytischen Ozonherstellung nach Anspruch 2, wobei die Anodenkammer ozonresistent ist.

5. Verfahren zur elektrolytischen Ozonherstellung nach Anspruch 1, wobei die Elektrolysebedingungen eine Stromdichte von annähernd 50-150 A/dm², eine Zellenspannung von ungefähr 3,0 - 3,5 V, und eine Flüssigkeitstemperatur von ungefähr 25 - 35ºC umfassen.

6. Verfahren zur elektrolytischen Ozonherstellung nach Anspruch 1, wobei das Rohwasser deionisiert wird, bevor es der Kathodenkammer zugeführt wird.

7. Elektrolytischer Ozonerzeuger, der eine mittels eines Festelektrolyten in eine Kathodenkammer und eine Anodenkammer unterteilte Ozonerzeugungselektrolysezelle umfaßt, wobei die Kathodenkammer mit einer Gas- Flüssigkeit-Abscheidesäule verbunden und mit Rohwasser gefüllt ist, und die Anodenkammer im wesentlichen kein anderes Rohwasser enthält, als das Rohwasser, das den Festelektrolyten von der Kathodenkammer her durchdrungen hat.

8. Elektrolytischer Ozonerzeuger nach Anspruch 7, wobei der Festelektrolyt eine Ionenaustauschmembran des Perfluorkohlenstoff-Sulfonsäure-Typs ist.

9. Elektrolytischer Ozonerzeuger nach Anspruch 7, wobei die Kathodenkammer und die Gas-Flüssigkeit-Abscheidesäule an ihren oberen Teilen durch eine Wasserstoffabzugsöffnung und an ihren unteren Teilen durch eine Rohwasserzuführöffnung miteinander verbunden sind.