EP2847366A1 - Elektrolysezelle, insbesondere zur verwendung in einer anlage zur erzeugung einer elektrochemisch aktivierten kochsalzlösung, sowie anlage mit einer anzahl derartiger elektrolysezellen - Google Patents

Elektrolysezelle, insbesondere zur verwendung in einer anlage zur erzeugung einer elektrochemisch aktivierten kochsalzlösung, sowie anlage mit einer anzahl derartiger elektrolysezellen

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Publication number
EP2847366A1
EP2847366A1 EP13725564.2A EP13725564A EP2847366A1 EP 2847366 A1 EP2847366 A1 EP 2847366A1 EP 13725564 A EP13725564 A EP 13725564A EP 2847366 A1 EP2847366 A1 EP 2847366A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
membrane
electrolysis
anode
hollow cylinder
outer housing
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP13725564.2A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Hans-Georg Mathé
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Caliopa AG
Original Assignee
Caliopa AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Caliopa AG filed Critical Caliopa AG
Priority to EP13725564.2A priority Critical patent/EP2847366A1/de
Publication of EP2847366A1 publication Critical patent/EP2847366A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B1/00—Electrolytic production of inorganic compounds or non-metals
    • C25B1/01—Products
    • C25B1/24—Halogens or compounds thereof
    • C25B1/26—Chlorine; Compounds thereof
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
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    • C02F1/46—Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods
    • C02F1/461—Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods by electrolysis
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    • C02F1/4672—Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods by electrolysis by electrochemical disinfection; by electrooxydation or by electroreduction by electrooxydation
    • C02F1/4674—Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods by electrolysis by electrochemical disinfection; by electrooxydation or by electroreduction by electrooxydation with halogen or compound of halogens, e.g. chlorine, bromine
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C25B9/00—Cells or assemblies of cells; Constructional parts of cells; Assemblies of constructional parts, e.g. electrode-diaphragm assemblies; Process-related cell features
    • C25B9/60—Constructional parts of cells
    • C25B9/63—Holders for electrodes; Positioning of the electrodes
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C02F2201/46—Apparatus for electrochemical processes
    • C02F2201/461—Electrolysis apparatus
    • C02F2201/46105—Details relating to the electrolytic devices
    • C02F2201/46115—Electrolytic cell with membranes or diaphragms

Definitions

  • Electrolysis cell in particular for use in a plant for producing an electrochemically activated saline solution, and plant with a number of such electrolysis cells
  • the invention relates to an electrolytic cell, in particular for producing an electrochemically activated saline solution, having an anode space provided with an anode and a cathode space separated therefrom by a membrane provided with a cathode, wherein the membrane is designed as a ceramic hollow cylinder surrounded by an outer housing , It further relates to a system for generating an electrochemically activated solution with a plurality of such electrolysis cells having electrolysis module.
  • Electrolysis apparatus or systems for producing an electrochemically activated solution by electrolysis of brine containing one or more electrolytic cells having an anode compartment and a cathode compartment separated by a membrane are selected from a variety of documents, for example DE 30 003 131 A1, US Pat. No. 4,056,452, EP 1 728 768 A1 or European Patent Application No. 10 003 555.9-2104.
  • a water stream charged with a saline solution or brine is fed to the electrolysis device by electrolysis to produce the electrochemically activated salt solution, where it is electrolytically decomposed.
  • an electrochemically activated aqueous salt solution which has a comparatively high content of free chlorine and a comparatively high redox potential.
  • the available electrochemically activated salt solution is particularly useful as a disinfectant, for example for the sterilization of water and / or aqueous solutions usable.
  • CONFIRMATION COPY Substance usually characterized by a particularly high content of free chlorine and / or a reasonably high redox potential, sought.
  • a disinfectant or as an additive, carrier or even active ingredient in medical or therapeutic preparations desirable that the high efficiency, especially in view of a particularly good shelf life even after relatively long storage of, for example, more as a year is to remain virtually unchanged or with only minor changes.
  • Another important characteristic for the characterization of the electrochemically activated saline solution obtainable in the above-mentioned manner is their pH, which substantially determines the compatibility or compatibility with other chemical substances or active substances and also the usability of the electrochemically activated salt solutions in various environmental conditions and the like.
  • reactor electrolysis cells With regard to the design and the geometric structure of the individual, also referred to as "reactor" electrolysis cells, a so-called tubular or rod-shaped construction particularly well-proven, in which the membrane is designed as surrounded by an outer casing ceramic hollow body.
  • a first electrode is located in the interior of the ceramic hollow cylinder, whereas the other electrode is arranged in the annular space between the ceramic hollow cylinder and the outer housing or is formed by the outer housing itself.
  • the invention is based on the object of specifying an electrolytic cell of the type mentioned above, with the production of a particularly high-quality electrochemically activated saline solution in the sense of said design objectives is possible in a particularly favorable and reliable manner, and especially for use in a particular plant suitable is. Furthermore, a plant for the production of an electrochemically activated saline solution, in particular using a number of such electrolysis cells, should be specified, with which the production of particularly high-quality saline solution in the sense of the aforementioned design goals is made possible.
  • this object is achieved in that the membrane forming ceramic hollow cylinder and the surrounding outer housing are each end mounted in a cap, which is an access channel to the interior of the diaphragm forming the hollow ceramic cylinder forming the central bore and one of these , Media-side with the space between the membrane and outer housing connected annular space.
  • the electrolytic cell should be designed for a reproducible and reliably controllable process management, the highly reproducible at constant process parameters such as flow rate, temperature, applied activation voltage and the like reliably reproducible microscopic effects on the ion migration and the corresponding implementation in the Media streams shows.
  • the electrolytic cell should be designed in terms of their structural and structural design for a particularly homogeneous and uniform flow profile in anode and cathode chamber, in which the media flow can be kept largely free of interference, statistical interference and the like.
  • the inlet or outlet of the medium or electrolyte in the annular space between the membrane and the outer housing thus takes place over the circumferential annular gap and thus while avoiding selective overflow, as would be the case, for example, in connecting or fürströmlöchern.
  • the annular gap is particularly preferably dimensioned comparatively narrow so that, due to geometry, a comparatively high flow velocity of the medium results when flowing through the annular gap. Due to this local increase in the flow rate, an additional homogenization and homogenization of the flow profile takes place.
  • the outer housing surrounding the membrane is also designed as a hollow cylinder, particularly preferably formed of metal.
  • a hollow cylinder particularly preferably formed of metal.
  • a further metal body is arranged to form the electrode provided there.
  • This is preferably designed as also designed as a hollow cylinder metallic central electrode, the interior of which is connected via a number of overflow openings on the media side with the outside surrounding, bounded by the inside of the membrane annulus.
  • feeding the media stream to be treated in the manner of a central arrangement is first in the interior of this central electrode allows the transfer of the medium into the actual electrode space, so the annulus between the central electrode on the one hand and membrane on the other hand, takes place via the overflow openings.
  • the central electrode is preferably also arranged concentrically to the membrane.
  • the outer casing thus results in a total concentric and thus rotationally symmetrical construction of the entire system of central electrode, membrane and outer casing, wherein the actual electrode compartments on the one hand through the annulus between the central electrode and membrane and on the other hand be formed by the annulus between the membrane and the outer housing.
  • Symmetrie employment is achieved by this configuration of the electrode spaces as concentric to each other positioned annular spaces a particularly homogeneous media flow management on both sides of the membrane.
  • the overflow openings provided in the central electrode are preferably arranged exclusively exclusively in the end region of the central electrode, ie in the immediate vicinity of the end cap provided in each case.
  • all overflow openings of the central electrode are seen in the longitudinal direction of the arrangement at most 10 mm, more preferably at most 5 mm, arranged from the contact point of the membrane forming ceramic hollow cylinder with the respective end cap.
  • the overflow openings are advantageously positioned substantially within the plane formed by the end face of the end cap.
  • the central electrode is provided with an inlet or outflow element projecting into its interior and having a number of overflow openings, wherein in a particularly preferred embodiment the overflow openings of the inlet or outflow elements are arranged at the same position in the longitudinal direction of the membrane are like the overflow openings of the central electrode.
  • the overflow openings are preferably selected and configured with regard to number, positioning and size in such a way that an overall particularly uniform and homogeneous flow profile results.
  • the system is provided for a swirl generation in the respective annularly shaped electrode spaces flowing medium.
  • the system is designed in such a way that the electrolyte flows through the electrode spaces primarily in the longitudinal direction of the membrane, wherein a swirl in the media flow is superimposed on this flow direction.
  • This swirl can be provided on the inside of the membrane, on the outside of the membrane or in both electrode spaces.
  • the medium flowing through the electrode chambers is additionally pressed against the respective outer walls of the electrode space by the centrifugal forces that occur, that is to say for the inner annular space on the inner wall of the membrane or for the outer annular space on the inner wall of the outer housing. This results in a particularly intimate contact of the medium on the respective wall, so that the relevant transport processes are additionally supported.
  • an additional favoring of the ion migration processes can be achieved by additionally pressing the produced nations against the membrane, so that the imbalance between Na + and CI " produced by electrolysis In the outer region, ie in the outer, the membrane surrounding the annular cathode space, the swirl, however, causes the water is increasingly brought into intimate contact with the cathode, so that the H 2 formation and then the degassing is enhanced. Both effects in combination favor the production of NaOH in particular.
  • the end caps are on the one hand, just by the said circumferential annulus, provided for homogenization, collection and pre-distribution of the flow media.
  • the end caps are also provided in a particularly preferred embodiment as support elements and also as insulation elements, via the proper positioning of the components, ie in particular central electrode, membrane and / or outer housing, relative to each other and a simultaneous reliable electrical insulation of these components can be done from each other.
  • the end caps are preferably made of insulator material, particularly preferably made of plastic, in particular polypropylene (PP), polyethylene (PE) or in particular polytetrafluoroethylene (PTFE).
  • the electrolysis cell could be configured such that the inner space of the membrane bounded by the central electrode is provided as the anode space and the outer space bounded, with respect to the membrane outer annulus as the cathode space.
  • the central electrode is designed as a cathode and the outer housing surrounding the membrane as an anode.
  • the anode is provided in an advantageous embodiment with a surface coating.
  • the surface coating is specifically oriented with regard to the choice of material in the manner of a catalytic favoring of the reactions targeted to the intended processes.
  • the surface coating therefore preferably comprises the materials platinum and / or iridium and / or ruthenium and / or gold and / or diamond.
  • Iridium and / or ruthenium may be present in suitable form, for example in each case as oxide or mixed oxide.
  • the coating component ruthenium oxide in particular promotes as catalyst a particularly high production rate of oxygen-releasing substances, in particular measured in free chlorine, and in this regard may be provided in a suitable amount as a constituent of the coating.
  • the cathode is also provided with a surface coating favoring the electrochemical processes, particularly preferably of gold (Au).
  • Au gold
  • the layer thickness of the Au coating is about 1 ⁇ .
  • the ceramic hollow cylinder forming the membrane is specifically matched and oriented with regard to its choice of material and its material properties to the ion migration processes taking place during the electrolysis.
  • the hollow cylinder forming the membrane particularly preferably has a carrier body of porous ceramic with an average pore size of at least 500 nm, preferably of about 3 ⁇ m.
  • the definition layer is on the inside of the anode side of the membrane facing surface of the carrier body, so in the preferred design provided with internally provided anode and externally provided cathode space inside attached.
  • an electrolysis module comprising a plurality of electrolytic cells of the type mentioned, wherein the anode chambers of the electrolysis cells are connected in series on the media side and the cathode compartments of the electrolysis cells on the media side.
  • each anode in the anode spaces are particularly preferably provided in each case with a surface coating, the material and composition of the surface coating being selected depending on the position of the respective anode in the series connection of the anode chambers.
  • each anode can be provided with a catalytically active coating specifically tailored to the requirements within the series connection so that, for example, an increased production rate of free radicals, split-off oxygen or the like can be set depending on the flow guidance within the series connection can.
  • the advantages achieved by the invention are, in particular, that input and output side downstream of the integrated in the end caps annular collecting space both the input and output side of the media inlet and outlet in the membrane surrounding the outside annular annular electrode space particularly by the media flow side homogeneous, turbulence-free and Seen in the circumferential direction can be uniform.
  • the sensitive electrolysis processes possibly undesirably influencing disturbing factors such as Verwirbelungs bine, formation of gas bubbles or the like can be consistently avoided or at least kept particularly low.
  • a reliable, reproducible and high-quality adjustment of the desired material properties is thus possible.
  • FIG. 1 a plant for the production of an electrochemically activated salt solution by electrolysis
  • FIG. Figure 2 is a perspective view of an electrolytic cell for use
  • FIG. 3 the electrolysis cell according to FIG. 2 in plan view
  • FIG. 4, 5 the electrolysis cell according to FIG. 2 each in longitudinal section
  • FIG. 6 is an enlarged detail of FIG. 4,
  • FIG. 7 is a perspective view of a cap of the electrolysis cell according to FIG. 2
  • FIG. 8 the end cap according to FIG. 7 in longitudinal section
  • FIG. 9 shows the end cap according to FIG. 7 in cross section.
  • the plant 1 according to FIG. 1 is provided for producing an electrochemically activated salt solution by electrolysis.
  • the system 1 comprises an electrolysis module 2 to which an electrolysis medium can be fed on the input side via a supply line 4.
  • the electrolysis medium used is softened or demineralized water mixed with brine or an aqueous salt solution.
  • the inflow line 4 is connected on the input side to a water softener station 6.
  • a venturi 8 is connected in the inflow line 4, which in turn is connected on the input side to a brine tank 10.
  • From the supply line 4 also branches off after the water softening station 6 from a drain line 12, via which during a commissioning phase of the system 1, the water flow from the water softener station 6, bypassing the electrolysis module 2 of the following components in the brine tank 10 can be discharged.
  • a drain line 12 and the opening into the venturi 8 brine feed line 14 suitable valves 16, 18, 20 and additionally in the feed line 14 a Throttle valve 20 connected.
  • an outflow line 24 is connected to the electrolysis module 2, which discharges on the output side into a reservoir 26 for the prepared salt solution or the anolyte.
  • a multi-way valve 28 is also connected in the drain line 24, whose second output is connected to a drain line 30.
  • the plant 1 is for the production of an electrochemically activated salt solution with just for use as a disinfectant or antibacterial agent in, for example, medical or pharmaceutical applications particularly favorable properties, in particular with a particularly high content of free chlorine of preferably more than 500 mg / l and in particular about 800 mg / l, but possibly even more than 2,000 mg / l with high storage life, designed.
  • the electrolysis module 2 has a multi-component construction and comprises a A plurality of electrolytic cells 40, 41, of which only two are shown in the embodiment; Of course, other electrolysis cells 40, 41 may be provided analogous to the following embodiments.
  • Each electrolysis cell 40, 41 each comprises a cathode space 42 forming a first electrode space and an anode space 44 forming a second electrode space, which are each separated from one another by a membrane 46.
  • the application of an electrical voltage between the respective anode compartment 44 limiting anode on the one hand and the respective cathode compartment 42 bounding cathode on the other hand then causes ion migration across the intermediate membrane 46 away, so that an at least partial dissociation of the water contained in the electrolysis and at least partially Dissociation of entrained in the form of brine salts and their electrolysis derivatives occurs.
  • the desired, high-quality properties of the electrochemically activated salt solution are achieved in the plant 1 in particular by a specific guidance of the media streams in the electrolysis module 2.
  • a cathode-side substantially parallel media flow guide is combined with an anode-side essentially serial media flow guide.
  • even further combinations of these media-side interconnections can be provided.
  • a branching point 48 is provided in the system 1 in the exemplary embodiment in the inflow line 4, from which supply lines 50 discharging into the cathode chambers 42 of the electrolytic cells 40, 41 depart in the manner of a parallel media supply.
  • supply lines 50 discharging into the cathode chambers 42 of the electrolytic cells 40, 41 depart in the manner of a parallel media supply.
  • discharge lines 52 are provided, which are brought together in a collection point 54, so that a total of a medially parallel connection of the cathode chambers 42 results.
  • anode chamber 44 assigned to the first electrolysis module 40 in the flow direction of the anolyte is connected on the output side via an overflow line 56 to the input side of the following anode chamber 44 arranged in the second electrolysis module 41.
  • This in turn is the output side connected to the discharge line 24, so that in the manner of a multi-stage or cascade-like execution of a series connection of the anode chambers 44 with respect.
  • the anolyte results.
  • Appendix 1 it is provided in Appendix 1 to feed the effluent from the cathode chambers 42 catholyte as anolyte in the series connected anode chambers 44.
  • the collection point 54 for the catholyte is connected via an overflow line 58 to the anode space 44 of the first electrolytic cell 40, viewed in the flow direction of the anolyte.
  • a number of sensors for checking the material properties of the prepared anolyte and for measuring the quantity, a number of sensors, in particular a quantity sensor 66, a temperature sensor 68, a pH sensor 70 and a sensor 72 for measuring the redox potential, are connected in the outflow line 24.
  • the electrolysis cells 40, 41 as shown in perspective view in FIG. 2, in plan view in FIG. 3 and in longitudinal section in FIG. 4, 5 is executed in a substantially cylindrical basic shape and thus in a tubular or rod-shaped construction.
  • a ceramic hollow cylinder 80 is provided as a membrane 46, which is surrounded on the outside by a likewise designed as a hollow cylinder 82 outer housing 84.
  • the outer housing 84 is additionally provided as an electrode for the electrolysis cell 40, 41 and accordingly made of metal, in the embodiment of titanium.
  • End of the membrane 46 forming ceramic hollow cylinder 80 and the surrounding outer housing 84 are each mounted in a cover cap 86, which in turn is mounted on metallic end plates 88 on end face plates 90 of the outer housing 84.
  • the media connections 92 of the electrolysis cell 40, 41 are provided exclusively in the region of the end caps 86.
  • the outer casing 84 forming metallic hollow cylinder 82 is arranged concentrically to the membrane 46 forming ceramic hollow cylinder 80.
  • a metallic central electrode 96 is disposed within the membrane 46, which serves as the second electrode of the electrolytic cell 40, 41 in addition to the outer housing 84.
  • the electrode spaces flowed through by the electrolyte thus on the one hand by the space formed between the central electrode 96 and the diaphragm 46 first annular space 98 and on the other hand by the gap between the diaphragm 46 and the outer housing 84th formed second annulus 100 formed.
  • the electrolysis cell 40, 41 can be used in the manner of a "conventional" conventional "design such that the inner, first annular space 98 is provided as the anode space 44 and the outer, second annular space 100 as the cathode space 42.
  • the inner, first annular space 98 is configured as the cathode space 42 and the outer, second annular space 100 is configured as the anode space 44.
  • the central electrode 96 serves as a cathode, whereas the outer housing 84 is provided as an anode. Accordingly, the choice of material for these components is provided.
  • the central electrode 96 provided as the cathode is constructed as a metallic basic body, in particular of titanium, and preferably provided with a surface coating which promotes the functionality, in the exemplary embodiment a coating of gold (Au) with a thickness of approximately 1 ⁇ m.
  • the outer housing 84 which is provided as an anode, is likewise formed by a base body made of titanium, which on its inner surface of the hollow cylinder 82 facing the anode space 44 or the second annular space 100 comprises a suitably selected surface coating 102, in particular comprising iridium (Ir), ruthenium (Ru), gold (Au) and / or diamond.
  • a suitably selected surface coating 102 in particular comprising iridium (Ir), ruthenium (Ru), gold (Au) and / or diamond.
  • the electrolytic cell 40, 41 is designed especially for the production of particularly high-quality electrochemically activated saline, in particular a particularly high content of free chlorine and / or a high redox potential is sought at a total of particularly high storage stability.
  • the electrolysis cell 40, 41 is designed with respect to its structural design for a particularly uniform and homogeneous media flow during flow through the electrolyte through the electrode chambers, in particular disturbing effects due to turbulence, gas bubbles and the like should be kept particularly low.
  • the respective end cap disposed on the main bodies of said components end cap 86 which in FIG. 7 in perspective view and in FIGS. 8, 9 is shown in longitudinal or cross-section, designed suitable.
  • the design of the end cap 86 is based on the idea that the turbulence effects occurring due to the feed and exit of the electrolyte from the electrode chambers should be consistently shifted out of the actual electrode spaces.
  • the end cap 86 has a central bore 110, via which the electrolyte can be fed into the interior of the hollow cylinder 94 forming the central electrode 96.
  • the end cap 86 a the the access channel to the interior of the central electrode 96 forming central bore 110 encircling annular space 112 which can perform the function of a collection chamber or distribution chamber.
  • the respective media connection 92 opens into the annular space 112.
  • the end cap 86 also has a first, provided for receiving the diaphragm 46 forming the hollow cylinder 80 annular groove 114 and a second, provided for receiving a sealing ring annular groove 116.
  • the end cap 86 has a bevelled edge 118. This corresponds to an associated edge 120 in the flange portion of the outer housing 84.
  • the end cap 86 and the outer housing 84 are dimensioned and constructed such that the flanks 118, 120 form a circumferential annular gap in the assembled state, via which the annular space 112 on the media side with the Anode space 44 forming second annulus 100 between membrane 46 and outer housing 84 is connected.
  • This constructive design results in a rotationally symmetrical and thus particularly homogenized media-side connection of the annular space 112 in the end cap 86 with the anode space 44 forming annular space 100 within the outer housing 84.
  • the annular space 112 in the end cap 86 thus serves as a collection and distribution chamber, the Media feed from external via the media connections 92 first takes place in the annular space 112. From there a homogenization of the injected medium takes place, and all turbulences take place in the ring Room 112. From there, the medium can then be homogenized and flow into the anode chamber 44 via the annular gap formed by the flanks 118, 120 without any further disturbing influences.
  • the electrolysis cell 40, 41 is provided for swirl generation in the medium flowing through the annularly configured anode chamber 44 and optionally also in the medium flowing through the cathode chamber 42.
  • the circumferential annular gap formed by the flanks 118, 120 in the mounted state can be suitably designed, in particular contoured, and / or suitable means for swirl generation such as fins, baffles or the like in the inflow region of the medium, ie in particular in the region of the annular gap, be provided.
  • Suitable means for swirl generation in the medium flowing through the electrode chambers may be provided, for example, a réelleberippung the respective hollow cylinder 80, 82, 94 in the construction of a "drawn pipe” or corrugation on the inner surface.
  • the end caps 86 are on the one hand, just by the said circumferential annular space 112, provided for the homogenization, collection and pre-distribution of the flow media.
  • the end caps 86 but also support elements and also provided as insulation elements, via the proper positioning of the components, ie in particular the central electrode 96, the diaphragm 46 and the outer housing 84, relative to each other to form a total concentric arrangement and a simultaneous reliable electrical insulation these components can be done from each other.
  • the interior of the central electrode 96 is fed with medium.
  • the central electrode 96 is provided with a number of overflow openings 130 in its end areas. These provide a media-side connection of the interior of the hollow cylinder 94 with its outer space, that is to say with the first annular space 98.
  • the overflow openings 130 are positioned in the longitudinal direction of the electrolysis cell 40, 41 such that the same "effective length" exists for the cathode space 42 on the one hand and the anode space 44 on the other hand forming hollow cylinder 94 positioned so that they lie substantially in the plane defined by the end plate 90 of the outer housing 84.
  • the overflow openings 30 are positioned so that they are at most about 5 mm offset from the end face of the respective end plate 90.
  • an inlet or outlet element 132 is arranged in the central bore 110, which protrudes in the manner of a guide sleeve into the respective central bore 110 and is provided at the end with overflow openings 134 for the electrolyte.
  • the overflow openings 134 are arranged in the substantially same position as the overflow openings 130 of the central electrode 96 viewed in the longitudinal direction of the electrolytic cell 40, 41.
  • the overflow openings 134 can communicate with their main Flow direction to be aligned substantially radially. In the exemplary embodiment, however, the system is provided for swirl generation in the medium flowing into the interior of the central electrode 96.
  • the overflow openings 134 are with their main flow direction inclined aligned, so in addition to a radial direction component also have a tangential direction component.
  • the membrane 46 forming ceramic hollow cylinder 80 is aligned with regard to its choice of material and its material properties in particular extent to the ongoing electrolysis processes.
  • the ceramic hollow cylinder 80 forming the membrane 46 is designed to be suitable for this purpose and has, in particular, a carrier body 140 made of porous ceramic (in the exemplary embodiment ⁇ -Al 2 O 3 ) with an average pore size of at least 100 nm (in the exemplary embodiment about 3 ⁇ m ) on.
  • a carrier body 140 made of porous ceramic (in the exemplary embodiment ⁇ -Al 2 O 3 ) with an average pore size of at least 100 nm (in the exemplary embodiment about 3 ⁇ m ) on.
  • the carrier body 140 has on its inner surface a coating 142 serving as a definition layer with an open porosity of about 40 to 55%.
  • the coating 142 has a comparatively small pore design and has an average pore size between 0.2 nm (200 ⁇ m) and 150 nm (in the exemplary embodiment about 100 nm).
  • the coating 142 serving as a definition layer could be formed, for example, from titanium dioxide (TiO 2 ) with a pore size of about 5 to 10 nm.
  • TiO 2 titanium dioxide
  • the exemplary embodiment is provided as a material for ⁇ - Al2O3 with a pore size of about 100 nm.

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Abstract

Eine Elektrolysezelle (40, 41), insbesondere zur Erzeugung einer elektrochemisch aktivierten Kochsalzlösung, mit einem mit einer Anode versehenen Anodenraum (44) und mit einem von diesem durch eine Membran (46) getrennten, mit einer Kathode versehenen Kathodenraum (42), wobei die Membran (46) als von einem Außengehäuse (84) umgebener Keramik-Hohlzylinder (80) ausgeführt ist, soll die Herstellung einer besonders hochwertigen elektrochemisch aktivierten Kochsalzlösung auf besonders günstige und zuverlässige Weise ermöglichen. Dazu sind erfindungsgemäß der die Membran (46) bildende Keramik-Hohlzylinder (80) und das diesen umgebende Außengehäuse (84) endseitig jeweils in einer Abschlusskappe (86) gelagert, die eine einen Zutrittskanal zum Innenraum des die Membran (46) bildenden Keramik-Hohlzylinders (80) bildende Zentralbohrung (110) und einen diese umlaufenden, medienseitig mit dem Zwischenraum zwischen Membran (46) und Außengehäuse (84) verbundenen Ringraum (112) aufweist.

Description

Beschreibung
Elektrolysezelle, insbesondere zur Verwendung in einer Anlage zur Erzeugung einer elektrochemisch aktivierten Kochsalzlösung, sowie Anlage mit einer Anzahl derartiger Elektrolysezellen
Die Erfindung betrifft eine Elektrolysezelle, insbesondere zur Erzeugung einer elektrochemisch aktivierten Kochsalzlösung, mit einem mit einer Anode versehenen Anodenraum und mit einem von diesem durch eine Membran getrennten, mit einer Kathode versehenen Kathodenraum, wobei die Membran als von einem Außengehäuse umgebener Keramik-Hohlzylinder ausgeführt ist. Sie bezieht sich weiter auf eine Anlage zur Erzeugung einer elektrochemisch aktivierten Lösung mit einem eine Mehrzahl von derartigen Elektrolysezellen aufweisenden Elektrolysemodul.
Elektrolysevorrichtungen oder -anlagen zur Erzeugung einer elektrochemisch aktivierten Lösung durch Elektrolyse von solehaltigem Wasser, bei denen eine oder mehrere Elektrolysezellen mit einem Anodenraum und einem Kathodenraum, die durch eine Membran voneinander getrennt sind, zum Einsatz kommen, sind aus einer Vielzahl von Dokumenten, beispielsweise aus der DE 30 003 131 A1 , aus der US 4,056,452, aus der EP 1 728 768 A1 oder aus der europäischen Patentanmeldung Nr. 10 003 555.9- 2104 bekannt. In derartigen Anlagen wird zur Erzeugung der elektrochemisch aktivierten Salzlösung durch Elektrolyse ein mit einer Kochsalzlösung oder mit Sole beaufschlagter Wasserstrom der Elektrolysevorrichtung zugeführt und dort elektrolytisch zersetzt. Dadurch wird eine elektrochemisch aktivierte wässrige Salzlösung erhalten, die einen vergleichsweise hohen Gehalt an freiem Chlor und ein vergleichsweise hohes Redox-Potential aufweist. Die dabei erhältliche elektrochemisch aktivierte Salzlösung ist besonders günstig als Desinfektionsmittel, beispielsweise zur Entkeimung von Wasser und/oder wässrigen Lösungen, nutzbar.
Bei der Herstellung der elektrochemisch aktivierten Salzlösung auf die genannte Weise wird üblicherweise eine besonders hohe Wirksamkeit oder Biozidität der hergestellten
BESTÄTIGUNGSKOPIE Substanz, üblicherweise charakterisiert durch einen besonders hohen Gehalt an freiem Chlor und/oder ein angemessen hohes Redox-Potential, angestrebt. Zudem ist gerade im Hinblick auf mögliche Anwendungen derartiger Substanzen als Desinfektionsmittel oder auch als Zusatz-, Träger- oder sogar Wirkstoff in medizinischen oder therapeutischen Präparaten wünschenswert, dass die hohe Wirksamkeit gerade im Hinblick auf eine besonders gute Lagerbeständigkeit auch nach vergleichsweise langer Lagerung von beispielsweise mehr als einem Jahr nahezu unverändert oder mit nur geringfügigen Veränderungen aufrechterhalten bleiben soll. Ein weiterer wichtiger Kennwert für die Charakterisierung der auf die genannte Weise erhältlichen elektrochemisch aktivierten Salzlösung ist deren pH-Wert, der die Kompatibilität oder Vereinbarkeit mit anderen chemischen Substanzen oder Wirkstoffen und auch die Verwendbarkeit der elektrochemisch aktivierten Salzlösungen in verschiedenen Umgebungsbedingungen und dergleichen wesentlich mitbestimmt.
Bei der Herstellung von elektrochemisch aktivierten Salzlösungen der genannten Art durch Elektrolyse besteht somit allgemein das Bestreben, bei hoher Lagerbeständigkeit eine besonders hohe bakteriozide oder antibakterielle Wirkung, charakterisiert durch einen hohen Gehalt an freiem Chlor, zu gewährleisten, wobei der pH-Wert möglichst eine gute Vereinbarkeit mit anderen Substanzen oder Wirkstoffen erlauben oder sogar in der Art eines freien Parameters unabhängig von den anderen genannten Parametern einstellbar gehalten werden sollte.
Wie sich herausgestellt hat, ist das Erreichen dieser Auslegungsziele von einer großen Vielzahl von Parametern, beispielsweise bei der Verfahrensführung, bei der Herstellung der elektrochemisch aktivierten Lösung, bei der Auslegung der hierzu verwendeten Anlagen und auch bei der grundsätzlichen Konzeption des Herstellungsprozesses, beispielsweise im Hinblick auf die Medienstromführung, abhängig. Unter all diesen Aspekten und Parametern ist auch die Auslegung der auch als Reaktor bezeichneten einzelnen Elektrolysezellen und in diesem Zusammenhang insbesondere auch deren konstruktive Ausgestaltung bedeutsam.
Hinsichtlich der Auslegung und des geometrischen Aufbaus der einzelnen, auch als „Reaktor" bezeichneten Elektrolysezellen hat sich ein so genannter röhrenförmiger oder stabförmiger Aufbau besonders bewährt, bei dem die Membran als von einem Außengehäuse umgebener Keramik-Hohlkörper ausgestaltet ist. Bei einem derartigen rohr- förmigen Aufbau des Reaktors oder der Elektrolysezellen befindet sich eine erste Elektrode im Innenraum des Keramik-Hohlzylinders, wohingegen die andere Elektrode im Ringraum zwischen dem Keramik-Hohlzylinder und dem Außengehäuse angeordnet ist oder vom Außengehäuse selbst gebildet wird. Bei einem derartigen Aufbau des Reaktors oder der Elektrolysezelle erfolgt somit die für die Elektrolyse der solehaltigen Wasserlösung erforderliche Ionen- und Elektronenwanderung und der lonenaustausch über den als Membran vorgesehenen Keramik-Hohlzylinder hinweg von dessen Innen-, in den ihn umgebenden Außenraum oder umgekehrt. Eine Elektrolysezelle zur Verwendung in einer Anlage zur Erzeugung einer elektrochemisch aktivierten Kochsalzlösung mit diesem rohrförmigen Aufbau der eingangs genannten Art ist aus der nicht vorveröffentlichten europäischen Patentanmeldung Nr. 10 014 854.3-1213 bekannt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Elektrolysezelle der oben genannten Art anzugeben, mit der die Herstellung einer im Sinne der genannten Auslegungsziele besonders hochwertigen elektrochemisch aktivierten Kochsalzlösung auf besonders günstige und zuverlässige Weise möglich ist, und die zur Verwendung in einer hierfür bestimmten Anlage besonders geeignet ist. Des Weiteren soll eine Anlage zur Erzeugung einer elektrochemisch aktivierten Kochsalzlösung, insbesondere unter Verwendung einer Anzahl derartiger Elektrolysezellen, angegeben werden, mit der die Herstellung von im Sinne der genannten Auslegungsziele besonders hochwertiger Kochsalzlösung ermöglicht ist.
Bezüglich der Elektrolysezelle wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der die Membran bildende Keramik-Hohlzylinder und das diesen umgebende Außengehäuse endseitig jeweils in einer Abschlusskappe gelagert sind, die eine einen Zutrittskanal zum Innenraum des die Membran bildenden Keramik-Hohlzylinders bildende Zentralbohrung und einen diese umlaufenden, medienseitig mit dem Zwischenraum zwischen Membran und Außengehäuse verbundenen Ringraum aufweist.
Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, dass die Erfüllung der verschiedenartigen genannten Auslegungsziele zur Bereitstellung einer in diesem Sinne besonders hoch- wertigen aktivierten Kochsalzlösung in erheblichem Maße von einer hochgenauen und präzisen Medienstrom- und Materialführung abzuhängen scheint. Um dies zu ermöglichen, sollte die Elektrolysezelle für eine reproduzierbare und zuverlässig kontrollierbare Verfahrensführung ausgelegt sein, die in besonders hohem Maße bei konstant gehaltenen Verfahrensparametern wie beispielsweise Durchflussrate, Temperatur, angelegte Aktivierungsspannung und dergleichen zuverlässig reproduzierbare mikroskopische Auswirkungen auf die lonenwanderung und die entsprechende Umsetzung in den Medienströmen zeigt. Um dies zu ermöglichen, sollte die Elektrolysezelle hinsichtlich ihrer baulichen und konstruktiven Auslegung für ein besonders homogenes und gleichmäßiges Strömungsprofil in Anoden- und Kathodenkammer ausgelegt sein, bei dem der Mediendurchfluss weitgehend frei von Störeinflüssen, statistischen Beeinträchtigungen und dergleichen gehalten werden kann. Um dies gerade bei der vorgesehenen rohr- förmigen Bauweise der Elektrolysekammer zu gewährleisten, ist gerade für den Außenbereich des Keramik-Hohlzylinders, also den als Elektrodenkammer vorgesehenen Ringraum zwischen Keramik-Hohlzylinder und dem diesen umgebenden Außengehäuse, eine in Umfangsrichtung gesehen möglichst gleichförmige Ein- und Ausspeisung des Strömungsmediums vorgesehen, bei der ein- und ausspeisungsbedingte Verwirbe- lungen besonders gering gehalten werden sollen.
Dies wird erreicht, indem dem genannten Ringraum zwischen Membran und Außengehäuse eingangs- und vorzugsweise auch ausgangsseitig jeweils ein ringförmiger Sammelraum zugeordnet ist, in den das Medium zunächst eingespeist bzw. von dem das Medium nach Durchlaufen des Ringraums wieder abgeführt werden kann. In diesem Sammelraum ist eine Homogenisierung und Durchmischung des über zugeordnete Eintrittsöffnungen eingespeisten Mediums vorgesehen, bevor dieses über einen umlaufenden Ringspalt in den Ringraum zwischen Membran-Hohlzylinder und Außengehäuse eintritt (bzw. analog auf der Austrittsseite). Verwirbelungen, die durch die Ein- speisung von Medium über Eintrittsöffnungen auftreten könnten und die Homogenität des Durchflusses gerade in Umfangsrichtung gesehen stören könnten, werden somit konsequent vom eigentlichen, durch den Ringraum zwischen Membran und Außengehäuse gebildeten Elektrodenraum weg und in den vorgelagerten Sammelraum hineinverlagert. Umgebungseinflüsse wie beispielsweise einspeisebedingte Verwirbelungen können damit konsequent vom eigentlichen Elektrodenraum ferngehalten werden. Der Ein- bzw. Austritt des Mediums oder Elektrolyten in den Ringraum zwischen Membran und Außengehäuse erfolgt somit über den umlaufenden Ringspalt und damit unter Vermeidung punktueller Überströmung, wie es beispielsweise bei Verbindungs- oder Überströmlöchern der Fall wäre. Besonders bevorzugt ist dabei der Ringspalt vergleichsweise eng dimensioniert, so dass sich geometriebedingt eine vergleichsweise hohe Fließgeschwindigkeit des Mediums beim Durchströmen des Ringspalts ergibt. Durch diese lokale Überhöhung der Fließgeschwindigkeit erfolgt eine zusätzliche Homogenisierung und Vergleichmäßigung des Strömungsprofils.
Vorzugsweise ist das die Membran umgebende Außengehäuse ebenfalls als Hohlzylinder, besonders bevorzugt gebildet aus Metall, ausgestaltet. Damit ergibt sich eine insgesamt gesehen rohrförmige Auslegung der Elektrolysezelle, wobei in besonders vorteilhafter Ausgestaltung der das Außengehäuse bildende Hohlzylinder konzentrisch zum die Membran bildenden Hohlzylinder angeordnet ist.
Innerhalb des die Membran bildenden Hohlzylinders ist zur Bildung der dort vorgesehenen Elektrode ein weiterer Metallkörper angeordnet. Dieser ist vorzugsweise als ebenfalls als Hohlzylinder ausgeführte metallische Zentralelektrode ausgeführt, wobei deren Innenraum über eine Anzahl von Überströmöffnungen medienseitig mit dem sie außenseitig umgebenden, von der Innenseite der Membran begrenzten Ringraum verbunden ist. Für die Innenseite des die Membran bildenden Hohlzylinders ist somit eine Einspeisung des zu behandelnden Medienstroms in der Art einer zentralen Anordnung zunächst in den Innenraum dieser Zentralelektrode ermöglicht, wobei die Überführung des Mediums in den eigentlichen Elektrodenraum, also den Ringraum zwischen Zentralelektrode einerseits und Membran andererseits, über die Überströmöffnungen erfolgt.
Die Zentralelektrode ist dabei bevorzugt ebenfalls konzentrisch zur Membran angeordnet. Gerade in Kombination mit dem Außengehäuse ergibt sich somit eine insgesamt konzentrische und damit rotationssymmetrische Bauweise des Gesamtsystems aus Zentralelektrode, Membran und Außengehäuse, wobei die eigentlichen Elektrodenräume einerseits durch den Ringraum zwischen Zentralelektrode und Membran und andererseits durch den Ringraum zwischen Membran und Außengehäuse gebildet werden. Symmetriebedingt ist durch diese Ausgestaltung der Elektrodenräume als konzentrisch zueinander positionierte Ringräume eine besonders homogene Medienstrom- führung beidseitig der Membran erreichbar.
Um gerade bei dieser Auslegung eine besonders homogene und störungsfreie Medien- stromführung in den eigentlichen Elektrodenräumen zu gewährleisten, sind die in der Zentralelektrode vorgesehenen Überströmöffnungen vorzugsweise konsequent ausschließlich im Endbereich der Zentralelektrode, also in unmittelbarer Nähe zur endseitig jeweils vorgesehenen Abschlusskappe, angeordnet. In besonders vorteilhafter Ausgestaltung sind sämtliche Überströmöffnungen der Zentralelektrode dabei in Längsrichtung der Anordnung gesehen höchstens 10 mm, besonders bevorzugt höchstens 5 mm, von der Kontaktstelle des die Membran bildenden Keramik-Hohlzylinders mit der jeweiligen Abschlusskappe angeordnet. Insbesondere sind die Überströmöffnungen dabei vorteilhafterweise im Wesentlichen innerhalb der von der Stirnfläche der Abschlusskappe gebildeten Ebene positioniert. Durch diese Bauweise ist insbesondere erreicht, dass die„wirksame Länge", über die die Medienströme beim Durchströmen der Elektrodenräume der elektrolytischen Aktivierung ausgesetzt sind, sowohl für den Elektrodenraum innenseitig des die Membran bildenden keramischen Hohlzylinders als auch im außenseitig dieses Hohlzylinders angeordneten Elektrodenraum gleich ist. Beidseitig der Membran ist somit ein insbesondere in Umfangsrichtung gesehen homogenes Strömungsprofil in den Elektrodenräumen gewährleistet, wobei beide Elektrodenräume hinsichtlich des Strömungsprofils des Mediums eine gemeinsame Stirnebene aufweisen.
Die Zentralelektrode ist in weiterer vorteilhafter Ausgestaltung endseitig jeweils mit einem in ihren Innenraum hineinragenden, eine Anzahl von Überströmöffnungen aufweisenden Ein- bzw. Ausströmelement versehen, wobei in besonders bevorzugter Ausgestaltung die Überströmöffnungen der Ein- bzw. Ausströmelemente in Längsrichtung der Membran gesehen an gleicher Position angeordnet sind wie die Überströmöffnungen der Zentralelektrode. Durch diese Anordnung oder Positionierung der einzelnen Komponenten zueinander ist erreicht, dass die Medienzufuhr von extern (bzw. auslassseitig die Medienabfuhr) über das Ein- bzw. Ausströmelement und dessen Überströmöffnun- gen in den Innenraum der Zentralelektrode erfolgen kann, wobei in gleicher Position in Längsrichtung der Membran gesehen der Weitertransport von Medium aus dem Innenbereich der Zentralelektrode über deren Überströmöffnungen in den die Zentralelektrode außenseitig umgebenden, als Elektrodenraum dienenden Ringraum erfolgen kann.
Gerade in Kombination mit den für den Medienein- bzw. -austritt in den äußeren, ringförmigen Elektrodenraum jeweils vorgesehenen Ringspalten sind die Überströmöffnungen dabei vorzugsweise hinsichtlich Anzahl, Positionierung und Größe derart gewählt und ausgeführt, dass ein insgesamt besonders gleichmäßiges und homogenes Strömungsprofil entsteht.
In besonders vorteilhafter Ausgestaltung, der auch eigenständige erfinderische Bedeutung zukommt, ist das System für eine Drallerzeugung im die jeweils ringförmig ausgestalteten Elektrodenräume durchströmenden Medium vorgesehen. Mit anderen Worten: vorteilhafterweise ist das System derart ausgelegt, dass der Elektrolyt die Elektrodenräume vornehmlich in Längsrichtung der Membran gesehen durchströmt, wobei dieser Strömungsrichtung ein Drall im Medienstrom überlagert ist. Dieser Drall kann innenseitig der Membran, außenseitig der Membran oder in beiden Elektrodenräumen vorgesehen sein. Hierdurch wird erreicht, dass das die Elektrodenräume durchströmende Medium bedingt durch die auftretenden Zentrifugalkräfte zusätzlich an die jeweiligen Außenwände des Elektrodenraums, also für den inneren Ringraum an die Innenwand der Membran bzw. für den äußeren Ringraum an die Innenwand des Außengehäuses, an- gepresst wird. Damit entsteht ein besonders inniger Kontakt des Mediums an der jeweiligen Wand, so dass die diesbezüglichen Transportprozesse zusätzlich unterstützt werden.
Gerade bei der besonders bevorzugten Anordnung der Anode im Zentralbereich ist durch eine derartige Drallerzeugung eine zusätzliche Begünstigung der lonen- wanderungsprozesse erreichbar, indem die erzeugten Nationen zusätzlich an die Membran gepresst werden, so dass sich das elektrolysebedingt erzeugte Ungleichgewicht zwischen Na+- und CI" - Ionen noch weiter erhöht. Im Außenbereich, d. h. im äußeren, die Membran ringförmig umgebenden Kathodenraum, bewirkt der Drall hingegen, dass das Wasser verstärkt in innigen Kontakt mit der Kathode gebracht wird, so dass die H2-Bildung und anschließend auch die Entgasung verstärkt wird. Beide Effekte in Kombination miteinander begünstigen in besonderem Maße die Produktion von NaOH.
Die Abschlusskappen sind einerseits, gerade durch den genannten umlaufenden Ringraum, zur Homogenisierung, Sammlung und Vorverteilung der Strömungsmedien vorgesehen. Andererseits sind die Abschlusskappen aber auch in besonders bevorzugter Ausgestaltung als Trägerelemente und zudem als Isolationselemente vorgesehen, über die eine ordnungsgemäße Positionierung der Komponenten, also insbesondere Zentralelektrode, Membran und/oder Außengehäuse, relativ zueinander und eine gleichzeitige zuverlässige elektrische Isolierung dieser Komponenten voneinander erfolgen kann. Dazu sind die Abschlusskappen vorzugsweise aus Isolatormaterial, besonders bevorzugt aus Kunststoff, insbesondere aus Polypropylen (PP), Polyethylen (PE) oder insbesondere aus Polytetrafluorethylen (PTFE), gefertigt.
In der Art einer herkömmlichen Bauweise könnte die Elektrolysezelle derart ausgestaltet sein, dass der von der Zentralelektrode begrenzte innere Raum der Membran als Anodenraum und der vom Außengehäuse begrenzte, bzgl. der Membran äußere Ringraum als Kathodenraum vorgesehen ist. Vorteilhafterweise ist aber die Zentralelektrode als Kathode und das die Membran umgebende Außengehäuse als Anode ausgestaltet. Hierdurch ist insbesondere erreichbar, dass der die Membran außenseitig umlaufende Ringraum, also der Anodenraum, eine vergleichsweise größere Querschnittsfläche für die Durchströmung des Mediums aufweist, so dass gerade anoden- seitig ein besonders störungsfreier Mediendurchsatz erreichbar ist.
Um die bei der Elektrolyse ablaufenden elektrochemischen Prozesse, insbesondere bzgl. der angestrebten lonenwanderung und deren Umsetzung in die elektrochemische Aktivierung der Kochsalzlösung, zu begünstigen, ist die Anode in vorteilhafter Ausgestaltung mit einer Oberflächenbeschichtung versehen. Die Oberflächenbeschichtung ist dabei hinsichtlich der Materialwahl besonders bevorzugt in der Art einer katalytischen Begünstigung der Reaktionen gezielt auf die vorgesehenen Prozesse ausgerichtet. Vorzugsweise umfasst die Oberflächenbeschichtung daher die MaterialienPlatin und/oder Iridium und/oder Ruthenium und/oder Gold und/oder Diamant. Insbesondere Iridium und/oder Ruthenium können dabei in geeigneter Form, beispielsweise jeweils als Oxid oder Mischoxid, vorliegen. Gerade der Beschichtungsbestandteil Rutheniumoxid begünstigt dabei als Katalysator eine besonders hohe Produktionsrate an Sau- erstoff-abspaltenden Substanzen, insbesondere gemessen in freiem Chlor, und kann diesbezüglich in geeigneter Menge als Bestandteil der Beschichtung vorgesehen sein. In alternativer oder zusätzlicher vorteilhafter Ausgestaltung ist auch die Kathode mit einer die elektrochemischen Prozesse begünstigenden Oberflächenbeschichtung versehen, besonders bevorzugt aus Gold (Au). Vorteilhafterweise beträgt die Schichtdicke der Au-Beschichtung etwa 1 μηι.
In einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform, der ebenfalls eigenständige erfinderische Bedeutung zukommt, ist der die Membran bildende Keramik-Hohlzylinder hinsichtlich seiner Materialwahl und seiner Materialeigenschaften gezielt auf die bei der Elektrolyse ablaufenden lonenwanderungsprozesse abgestimmt und ausgerichtet. Dazu weist der die Membran bildende Hohlzylinder besonders bevorzugt einen Trägerkörper aus poröser Keramik mit einer mittleren Porengröße von mindestens 500 nm, bevorzugt von etwa 3 μηπ, auf. In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist dabei auf mindestens einer der Oberflächen dieses Trägerkörpers eine als Definitionsschicht dienende Beschichtung mit einer mittleren Porengröße von höchstens 150 nm, bevorzugt von etwa 100 nm, vorgesehen. Vorteilhafterweise ist dabei als Material für den Trägerkörper α - AI2O3 mit einer Porengröße von etwa 3 μητι und für die Definitionsschicht Titandioxid (T1O2) mit einer Porengröße von etwa 5 bis 10 nm oder α - AI2O3 mit einer Porengröße von etwa 100 nm vorgesehen.
Durch diese bzgl. der Verwendung in einer Elektrolysezelle eigenständig erfinderische Kombination eines vergleichsweise großporigen Trägerkörpers mit einer vergleichsweise kleinporigen Definitionsschicht ist eine grundsätzlich gute Materialdurchlässigkeit des Hohlzylinders gegeben, so dass die lonenwanderungsprozesse über die Membran hinweg besonders erleichtert sind. Die Definitionsschicht stellt dabei sicher, dass im Wesentlichen die hinsichtlich ihrer Größe selektiv ausgewählten erwünschten Ionen wandern können, wobei unerwünschte Neben- oder Beiprodukte herausgefiltert werden können. In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung weist die Definiti- onsbeschichtung dabei eine mittlere Porengröße von mindestens 0,2 nm oder 200 pm auf.
Vorteilhafterweise ist die Definitionsschicht dabei auf der der Anodenseite der Membran zugewandten Oberfläche des Trägerkörpers, also bei der bevorzugt vorgesehenen Bauweise mit innen vorgesehenem Anoden- und außen vorgesehenem Kathodenraum innenseitig, angebracht.
Bezüglich der Anlage zur Erzeugung einer elektrochemisch aktivierten Kochsalzlösung auf Wasserbasis wird die genannte Aufgabe gelöst mit einem Elektrolysemodul, das eine Mehrzahl von Elektrolysezellen der genannten Art umfasst, wobei die Anodenräume der Elektrolysezellen medienseitig in Reihe und die Kathodenräume der Elektrolysezellen medienseitig parallel geschaltet sind. Gerade durch die Verwendung der Elektrolysezellen der genannten Art in einer Anlage, bei der durch diese Medienstromfüh- rung eine gezielte sequentielle Anreicherung von Ionen im Anolyten gewährleistet ist, ist eine im Sinne der genannten Auslegungsziele besonders hochwertige elektrochemisch aktivierte Lösung herstellbar.
Besonders bevorzugt sind dabei die Anoden in den Anodenräumen jeweils mit einer Oberflächenbeschichtung versehen, wobei Material und Zusammensetzung der Ober- flächenbeschichtung abhängig von der Position der jeweiligen Anode in der Serienschaltung der Anodenräume gewählt sind. Dadurch kann in besonders vorteilhafter Ausgestaltung bedarfsgerecht jede Anode mit einer spezifisch auf die Anforderungen innerhalb der Serienschaltung ausgerichteten katalytisch aktiven Beschichtung versehen sein, so dass abhängig von der Strömungsführung innerhalb der Serienschaltung beispielsweise gezielt eine erhöhte Produktionsrate an freien Radikalen, an abgespaltenem Sauerstoff oder dergleichen eingestellt werden kann.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass durch die medienstromseitig gesehen eingangsseitige vor- und ausgangsseitige Nachschaltung des in die Abschlusskappen integrierten ringförmigen Sammelraums sowohl eingangs- als auch ausgangsseitig der Medienein- bzw. -austritt in den die Membran außenseitig umgebenden ringförmigen Elektrodenraum besonders homogen, verwirbelungsfrei und in Umfangsrichtung gesehen gleichförmig erfolgen kann. Damit können die empfindlichen Elektrolysevorgänge möglicherweise unerwünscht beeinflussende Störfaktoren wie Verwirbelungseffekte, Bildung von Gasbläschen oder dergleichen konsequent vermieden oder zumindest besonders gering gehalten werden. Gerade im Hinblick auf die vergleichsweise sensible Abhängigkeit der Stoffeigenschaften der hergestellten elektrochemisch aktivierten Lösung von verschiedenartigen Prozessparametern ist damit eine zuverlässige, reproduzierbare und qualitativ hochwertige Einstellung der gewünschten Stoffeigenschaften ermöglicht.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
FIG. 1 eine Anlage zur Erzeugung einer elektrochemisch aktivierten Salzlösung durch Elektrolyse
FIG. 2 in perspektivischer Ansicht eine Elektrolysezelle zur Verwendung
Anlage gemäß FIG. 1 ,
FIG. 3 die Elektrolysezelle gemäß FIG. 2 in Draufsicht
FIG. 4, 5 die Elektrolysezelle gemäß FIG. 2 jeweils im Längsschnitt
FIG. 6 einen vergrößerten Ausschnitt aus FIG. 4,
FIG. 7 in perspektivischer Ansicht eine Abschlusskappe der Elektrolysezelle gemäß FIG. 2
FIG. 8 die Abschlusskappe gemäß FIG. 7 im Längsschnitt, und
FIG: 9 die Abschlusskappe gemäß FIG. 7 im Querschnitt.
Gleiche Teile sind in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen. Die Anlage 1 gemäß FIG. 1 ist zur Erzeugung einer elektrochemisch aktivierten Salzlösung durch Elektrolyse vorgesehen. Dazu umfasst die Anlage 1 ein Elektrolysemodul 2, dem eingangsseitig über eine Versorgungsleitung 4 ein Elektrolysemedium zuführbar ist. Als Elektrolysemedium ist dabei mit Sole oder einer wässrigen Salzlösung versetztes enthärtetes oder demineralisiertes Wasser vorgesehen. Dazu ist die Zuströmleitung 4 eingangsseitig mit einer Wasserenthärterstation 6 verbunden. Zur Zudosierung der Sole in das enthärtete Wasser ist in die Zuströmleitung 4 eine Venturidüse 8 geschaltet, die ihrerseits eingangsseitig mit einem Solebehälter 10 verbunden ist. Von der Zuführungsleitung 4 zweigt zudem nach der Wasserenthärtestation 6 eine Ablaufleitung 12 ab, über die während einer Inbetriebnahmephase der Anlage 1 der Wasserstrom aus der Wasserenthärterstation 6 unter Umgehung des Elektrolysemoduls 2 der nachfolgenden Komponenten in den Solebehälter 10 abführbar ist. Zur Umschaltung zwischen diesen Betriebszuständen mit dem Dauerbetriebszustand sowie zur dosierten Einspeisung einer vorgebbaren Solemenge in das Elektrolysemedium sind in die Zuführleitung 4, die Ablaufleitung 12 sowie die in die Venturidüse 8 mündende Soleeinspeiseleitung 14 geeignete Ventile 16, 18, 20 und zusätzlich in die Einspeiseleitung 14 ein Drosselventil 20 geschaltet.
Ausgangsseitig, zur Abführung der im Elektrolysemodul 2 hergestellten elektrochemisch aktivierten Salzlösung, ist an das Elektrolysemodul 2 eine Abströmleitung 24 angeschlossen, die ausgangsseitig in einen Vorratsbehälter 26 für die hergestellte Salzlösung oder den Anolyten mündet. Zur vorübergehenden Umgehung des Vorratsbehälters 26 während der Inbetriebnahmephase der Anlage 1 ist in die Ablaufleitung 24 zudem ein Multiwegeventil 28 geschaltet, dessen zweiter Ausgang an eine Abflussleitung 30 angeschlossen ist.
Die Anlage 1 ist zur Herstellung einer elektrochemisch aktivierten Salzlösung mit gerade zur Verwendung als Desinfektionsmittel oder antibakteriellem Wirkstoff in beispielsweise medizinischen oder pharmazeutischen Anwendungen besonders günstigen Eigenschaften, insbesondere mit einem besonders hohen Gehalt an freiem Chlor von vorzugsweise mehr als 500 mg/l und insbesondere etwa 800 mg/l, gegebenenfalls aber auch sogar mehr als 2.000 mg/l bei hoher Lagerfähigkeit, ausgelegt. Um dies zu ermöglichen, ist das Elektrolysemodul 2 mehrkomponentig aufgebaut und umfasst eine Mehrzahl von Elektrolysezellen 40, 41 , von denen im Ausführungsbeispiel lediglich zwei dargestellt sind; selbstverständlich können analog zu den folgenden Ausführungen aber auch noch weitere Elektrolysezellen 40, 41 vorgesehen sein.
Jede Elektrolysezelle 40, 41 umfasst jeweils einen einen ersten Elektrodenraum bildenden Kathodenraum 42 und einen einen zweiten Elektrodenraum bildenden Anodenraum 44, die jeweils durch eine Membran 46 voneinander getrennt sind. Das Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen einer den jeweiligen Anodenraum 44 begrenzenden Anode einerseits und einen den jeweiligen Kathodenraum 42 begrenzenden Kathode andererseits bewirkt sodann eine lonenwanderung über die zwischen liegende Membran 46 hinweg, so dass eine zumindest teilweise Dissoziation des im Elektrolysemedium enthaltenen Wassers sowie eine zumindest teilweise Dissoziation der in Form von Sole mitgeführten Salzanteile und deren Elektrolyse-Derivate auftritt. Auf Grund der elektrischen Ladung der Ionen in diesen Materialien führt dieser lonenwan- derungsprozess in Folge der angelegten elektrischen Spannung zu einer Anreicherung von CI" und OH" im jeweiligen Anodenraum 44 und zu einer Anreicherung von H+ und Na+ im jeweiligen Kathodenraum 42. Zur bedarfsweisen Abführung von demzufolge im jeweiligen Kathodenraum 42 oder ersten Elektrodenraum angereichertem Wasserstoffgas ist der Kathodenraum 42 jeweils mit einer Entgasungsleitung 47 verbunden. Diese bildet, gegebenenfalls in Kombination mit im Kathodenraum 42 angeordneten Mitteln zur Bläschenerzeugung oder Gasabscheidung wie beispielsweise Verwirbler oder dergleichen, ein Entgasungsmodul für den jeweiligen Kathodenraum 42.
Die gewünschten, qualitativ hochwertigen Eigenschaften der elektrochemisch aktivierten Salzlösung werden in der Anlage 1 insbesondere durch eine spezifische Führung der Medienströme im Elektrolysemodul 2 erreicht. Dabei ist in der Anlage 1 gemäß dem Ausführungsbeispiel, die gezielt auf die Bereitstellung von elektrochemisch hochgradig aktiviertem Anolyt ausgerichtet ist, eine kathodenseitig im Wesentlichen parallele Medienstromführung mit einer anodenseitig im Wesentlichen seriellen Medienstromfüh- rung kombiniert. Alternativ oder bei abweichendem Auslegungsziel kann auch eine anodenseitig im Wesentlichen parallele mit einer kathodenseitig im Wesentlichen seriellen Medienstromführung kombiniert sein. Darüber hinaus können auch noch weiterführende Kombinationen dieser medienseitigen Verschaltungen vorgesehen sein. Im Einzelnen ist dabei in der Anlage 1 im Ausführungsbeispiel in der Zuströmleitung 4 ein Verzweigungspunkt 48 vorgesehen, von dem aus in der Art einer parallelen Medienzuführung in die Kathodenräume 42 der Elektrolysezellen 40, 41 mündende Zuleitungen 50 abgehen. Ausgangsseitig der Kathodenräume 42 sind Abströmleitungen 52 vorgesehen, die in einem Sammelpunkt 54 zusammengeführt sind, so dass sich insgesamt eine medienseitig parallele Verschaltung der Kathodenräume 42 ergibt.
Anodenseitig ist hingegen eine Reihen- oder Hintereinanderschaltung der Anodenräume 44 für den Anolyten vorgesehen. Dazu ist der in Strömungsrichtung des Anoly- ten gesehen dem ersten Elektrolysemodul 40 zugeordnete Anodenraum 44 ausgangsseitig über eine Überströmleitung 56 mit der Eingangsseite des nachfolgenden, im zweiten Elektrolysemodul 41 angeordneten Anodenraums 44 verbunden. Dieser ist seinerseits ausgangsseitig an die Abströmleitung 24 angeschlossen, so dass sich in der Art einer mehrstufigen oder kaskadenartigen Ausführung eine Hintereinanderschaltung der Anodenräume 44 bzgl. des Anolyten ergibt.
Zudem ist in der Anlage 1 vorgesehen, den aus den Kathodenräumen 42 abströmenden Katholyten als Anolyt in die hintereinander geschalteten Anodenräume 44 einzuspeisen. Dazu ist der Sammelpunkt 54 für den Katholyten über eine Überströmleitung 58 mit dem Anodenraum 44 der in Strömungsrichtung des Anolyten gesehen ersten Elektrolysezelle 40 verbunden.
Von der Überströmleitung 58 zweigt im Sammelpunkt 54 zudem eine Abführleitung 60 ab, über die ein in seiner Menge über ein Drosselventil 62 einstellbarer Teilstrom des Katholyten einem Abwassersystem oder einem Auffangbehälter 64 zugeführt werden kann. Mit dieser Anordnung ist es möglich, eine einstellbare Teilmenge des aus den Kathodenräumen 42 abströmenden Katholyten als Anolyt der Kaskade aus Anodenräumen 44 zuzuführen. Damit können unter anderem die individuellen Reaktionsparameter wie beispielsweise Druck und Fließgeschwindigkeit in den Anodenräumen 44 geeignet beeinflusst werden, und zudem kann die Menge des in diesem Anwendungsfall als„Abfallprodukt" anfallenden Katholyts besonders gering gehalten werden. Zur Überprüfung der Materialeigenschaften des hergestellten Anolyten sowie zur Mengenmessung sind im Übrigen in die Abströmleitung 24 eine Anzahl von Sensoren, insbesondere ein Mengensensor 66, ein Temperatursensor 68, ein pH-Sensor 70 sowie ein Sensor 72 zur Messung des Redox-Potentials, geschaltet.
In konstruktiver Hinsicht sind die Elektrolysezellen 40, 41 , wie dies in perspektivischer Ansicht in FIG. 2, in Draufsicht in FIG. 3 und im Längsschnitt in FIG. 4, 5 gezeigt ist, in im Wesentlichen zylindrischer Grundform und somit in röhren- oder stabförmiger Bauweise ausgeführt. Dabei ist als Membran 46 ein Keramik-Hohlzylinder 80 vorgesehen, der außenseitig von einem ebenfalls als Hohlzylinder 82 ausgeführten Außengehäuse 84 umgeben ist. Das Außengehäuse 84 ist dabei zusätzlich als Elektrode für die Elektrolysezelle 40, 41 vorgesehen und dementsprechend aus Metall, im Ausführungsbeispiel aus Titan, ausgeführt. Endseitig sind der die Membran 46 bildende Keramik- Hohlzylinder 80 und das diesen umgebende Außengehäuse 84 jeweils in einer Abschlusskappe 86 gelagert, die ihrerseits über metallische Endplatten 88 an endseitigen Stirnplatten 90 des Außengehäuses 84 montiert ist. Wie insbesondere der Draufsicht in FIG. 3 entnehmbar ist, sind die Medienanschlüsse 92 der Elektrolysezelle 40, 41 ausschließlich im Bereich der Abschlusskappen 86 vorgesehen.
Aus der Darstellung der Elektrolysezelle 40, 41 im Längsschnitt gemäß den FIG. 4, 5 wird deutlich, dass der das Außengehäuse 84 bildende metallische Hohlzylinder 82 konzentrisch zum die Membran 46 bildenden Keramik-Hohlzylinder 80 angeordnet ist. Zudem ist, ebenfalls konzentrisch zum die Membran 46 bildenden Keramik- Hohlzylinder 80, innerhalb der Membran 46 eine ihrerseits ebenfalls als Hohlzylinder 94 ausgeführte metallische Zentralelektrode 96 angeordnet, die zusätzlich zum Außengehäuse 84 als zweite Elektrode der Elektrolysezelle 40, 41 dient.
In dieser rohr- oder stabförmigen Ausgestaltung der Elektrolysezelle 40, 41 werden die vom Elektrolyten durchströmten Elektrodenräume somit einerseits vom durch den Zwischenraum zwischen der Zentralelektrode 96 und der Membran 46 gebildeten ersten Ringraum 98 und andererseits vom durch den Zwischenraum zwischen der Membran 46 und dem Außengehäuse 84 gebildeten zweiten Ringraum 100 gebildet. Hinsichtlich der elektrischen Schaltung kann die Elektrolysezelle 40, 41 dabei in der Art einer„her- kömmlichen" Ausgestaltung derart aufgebaut sein, dass der innere, erste Ringraum 98 als Anodenraum 44 und der äußere, zweite Ringraum 100 als Kathodenraum 42 vorgesehen ist. Im Ausführungsbeispiel ist aber für eine besonders weit gehende Homogenisierung des Strömungsprofils des Elektrolyten und eine günstige Medienstromführung insbesondere im Hinblick auf die erreichbaren Durchsätze der innere, erste Ringraum 98 als Kathodenraum 42 und der äußere, zweite Ringraum 100 als Anodenraum 44 ausgestaltet.
Dementsprechend dient die Zentralelektrode 96 als Kathode, wohingegen das Außengehäuse 84 als Anode vorgesehen ist. Dementsprechend ist auch die Materialwahl für diese genannten Komponenten vorgesehen. Die als Kathode vorgesehene Zentralelektrode 96 ist dabei als metallischer Grundkörper, insbesondere aus Titan, aufgebaut und vorzugsweise mit einer die Funktionalität besonders begünstigenden Oberflächen- beschichtung, im Ausführungsbeispiel eine Beschichtung aus Gold (Au) mit einer Dicke von etwa 1 pm, versehen. Das als Anode vorgesehene Außengehäuse 84 ist ebenfalls von einem Grundkörper aus Titan gebildet, der an seiner dem Anodenraum 44 oder dem zweiten Ringraum 100 zugewandten Innenoberfläche des Hohlzylinders 82 eine geeignet gewählten Oberflächenbeschichtung 102, insbesondere umfassend Iridium (Ir), Ruthenium (Ru), Gold (Au) und/oder Diamant, aufweist.
Die Elektrolysezelle 40, 41 ist in besonderem Maße für die Herstellung von besonders hochwertiger elektrochemisch aktivierter Kochsalzlösung ausgelegt, wobei insbesondere ein besonders hoher Gehalt an freiem Chlor und/oder ein hohes Redox-Potential bei insgesamt besonders hoher Lagerbeständigkeit angestrebt wird. Um dies zu ermöglichen, ist die Elektrolysezelle 40, 41 hinsichtlich ihres konstruktiven Aufbaus für eine besonders gleichmäßige und homogene Medienstromführung bei der Durchströmung des Elektrolyten durch die Elektrodenräume ausgelegt, wobei insbesondere Störeffekte auf Grund von Verwirbelungen, Gasbläschenbildungen und dergleichen besonders gering gehalten werden sollen.
Hierzu ist die jeweils endseitig an den Grundkörpern der genannten Komponenten angeordnete Abschlusskappe 86, die in FIG. 7 in perspektivischer Darstellung und in den FIG. 8, 9 im Längs- bzw. Querschnitt dargestellt ist, geeignet ausgeführt. Insbesondere liegt bei der Ausgestaltung der Abschlusskappe 86 der Gedanke zu Grunde, dass die durch die Ein- und Ausspeisung des Elektrolyten aus den Elektrodenräumen auftretenden Verwirbelungseffekte konsequent aus den eigentlichen Elektrodenräumen herausverlagert werden sollten. Dazu weist die Abschlusskappe 86 eine Zentralbohrung 110 auf, über die der Elektrolyt in den Innenraum des die Zentralelektrode 96 bildenden Hohlzylinders 94 eingespeist werden kann. Gerade um aber auch den die Membran 46 außen umgebenden, als Anodenraum 44 vorgesehenen zweiten Ringraum 100 besonders homogen und verwirbelungsfrei mit Medium bespeisen zu können, weist die Abschlusskappe 86 einen die den Zutrittskanal zum Innenraum der Zentralelektrode 96 bildende Zentralbohrung 110 umlaufenden Ringraum 112 auf, der die Funktion einer Sammelkammer oder Verteilerkammer wahrnehmen kann. In den Ringraum 112 mündet der jeweilige Medienanschluss 92.
Wie insbesondere der Darstellung im Längsschnitt gemäß FIG. 8 und der Darstellung im Querschnitt bis FIG. 9 besonders deutlich entnehmbar ist, weist die Abschlusskappe 86 zudem eine erste, zur Aufnahme des die Membran 46 bildenden Hohlzylinders 80 vorgesehene Ringnut 114 und eine zweite, zur Aufnahme eines Dichtungsrings vorgesehene Ringnut 116 auf. Im Bereich zwischen dem Ringraum 112 und der ersten Ringnut 114 weist die Abschlusskappe 86 eine abgeschrägte Flanke 118 auf. Diese korrespondiert mit einer zugeordneten Flanke 120 im Flanschbereich des Außengehäuses 84. Die Abschlusskappe 86 und das Außengehäuse 84 sind dabei derart dimensioniert und konstruiert, dass die Flanken 118, 120 im montierten Zustand einen umlaufenden Ringspalt bilden, über den der Ringraum 112 medienseitig mit dem den Anodenraum 44 bildenden zweiten Ringraum 100 zwischen Membran 46 und Außengehäuse 84 verbunden ist.
Durch diese konstruktive Auslegung entsteht eine rotationssymmetrische und somit besonders homogenisierte medienseitige Verbindung des Ringraums 112 in der Abschlusskappe 86 mit dem den Anodenraum 44 bildenden Ringraum 100 innerhalb des Außengehäuses 84. Der Ringraum 112 in der Abschlusskappe 86 dient somit als Sammel- und Verteilerkammer, wobei die Medieneinspeisung von extern über die Medienanschlüsse 92 zunächst in den Ringraum 112 erfolgt. Von dort erfolgt eine Homogenisierung des eingespeisten Mediums, und sämtliche Verwirbelungen finden im Ring- räum 112 statt. Von dort aus kann das Medium anschließend homogenisiert und ohne weitere Störeinflüsse über den durch die Flanken 118, 120 gebildeten Ringspalt in die Anodenkammer 44 einströmen.
In einer Variante ist die Elektrolysezelle 40,41 für eine Drallerzeugung im den ringförmig ausgestalteten Anodenraum 44 durchströmenden Medium und gegebenenfalls auch im den Kathodenraum 42 durchströmenden Medium vorgesehen. Hierdurch wird erreicht, dass das die Elektrodenräume durchströmende Medium bedingt durch die auftretenden Zentrifugalkräfte zusätzlich an die Außenwand des jeweiligen Elektrodenraums, also für den Kathodenraum 42 an die Innenwand der Membran 42 bzw. für den Anodenraum 44 an die Innenwand des Außengehäuses 84, angepresst wird. Damit entsteht ein besonders inniger Kontakt des Mediums an der jeweiligen Wand, so dass die diesbezüglichen Transportprozesse zusätzlich unterstützt werden. Zur Erzeugung des Dralls bei der Einspeisung des Mediums in den als Anodenraum 44 vorgesehenen äußeren Ringraum 100 kann dabei der von den Flanken 118, 120 im montierten Zustand gebildete umlaufende Ringspalt geeignet ausgeführt, insbesondere konturiert, sein, und/oder es können geeignete Mittel zur Drallerzeugung wie beispielsweise Leitflossen, Leitbleche oder dergleichen im Einströmbereich des Mediums, also insbesondere im Bereich des Ringspalts, vorgesehen sein.
Gegebenenfalls können auch noch weitere geeignete Mittel zur Drallerzeugung im die Elektrodenkammern durchströmenden Medium vorgesehen sein, beispielsweise eine Innenberippung des jeweiligen Hohlzylinders 80, 82, 94 in der Bauweise eines„gezogenen Rohres" oder eine Riffelung an der Innenoberfläche.
Die Abschlusskappen 86 sind einerseits, gerade durch den genannten umlaufenden Ringraum 112, zur Homogenisierung, Sammlung und Vorverteilung der Strömungsmedien vorgesehen. Andererseits sind die Abschlusskappen 86 aber auch Trägerelemente und zudem als Isolationselemente vorgesehen, über die eine ordnungsgemäße Positionierung der Komponenten, also insbesondere der Zentralelektrode 96, der Membran 46 und des Außengehäuses 84, relativ zueinander zur Bildung einer insgesamt konzentrischen Anordnung und eine gleichzeitige zuverlässige elektrische Isolierung dieser Komponenten voneinander erfolgen kann. Dazu sind die Abschlusskappen 86 aus Kunststoff, nämlich im Ausführungsbeispiel aus PTFE, gefertigt, so dass die gewünschte Isolatorwirkung sichergestellt ist.
Über die Zentralbohrung 110 wird der Innenraum der Zentralelektrode 96 mit Medium bespeist. Damit der Elektrolyt in diesem Innenbereich des die Zentralelektrode 96 bildenden Hohlzylinders 94 in den diesen umgebenden, den Kathodenraum 42 bildenden ersten Ringraum 98 gelangen kann, ist die Zentralelektrode 96 in ihren Endbereichen mit einer Anzahl von Überströmöffnungen 130 versehen. Diese stellen eine mediensei- tige Verbindung des Innenraums des Hohlzylinders 94 mit seinem Außenraum, also mit dem ersten Ringraum 98, her. Die Überströmöffnungen 130 sind dabei in Längsrichtung der Elektrolysezelle 40, 41 gesehen derart positioniert, dass sich möglichst eine gleiche„wirksame Länge" für den Kathodenraum 42 einerseits und den Anodenraum 44 andererseits gibt. Dazu sind die Überströmöffnungen 130 derart ausschließlich im Endbereich des die Zentralelektrode 96 bildenden Hohlzylinders 94 positioniert, dass sie im Wesentlichen in der die Stirnplatte 90 des Außengehäuses 84 definierten Ebene liegen. Insbesondere sind die Überströmöffnungen 30 dabei derart positioniert, dass sie maximal etwa 5 mm versetzt zur Stirnfläche der jeweiligen Stirnplatte 90 angeordnet sind.
Zur kontrollierten Medieneinspeisung in den Innenraum der Zentralelektrode 96 ist in der Zentralbohrung 110 jeweils ein Ein- bzw. Ausströmelement 132 angeordnet, das in der Art einer Führungshülse in die jeweilige Zentralbohrung 110 hineinragt und endsei- tig mit Überströmöffnungen 134 für den Elektrolyten versehen ist. Um auch hier eine besonders homogene Medienein- und Ausspeisung zu gewährleisten, sind die Überströmöffnungen 134 dabei in Längsrichtung der Elektrolysezelle 40, 41 gesehen in der im Wesentlichen gleichen Position angeordnet wie die Überströmöffnungen 130 der Zentralelektrode 96. Die Überströmöffnungen 134 können dabei mit ihrer Haupt- Durchströmungsrichtung im Wesentlichen radial ausgerichtet sein. Im Ausführungsbeispiel ist das System aber für eine Drallerzeugung im in den Innenraum der Zentralelektrode 96 einströmenden Medium vorgesehen. Hierdurch wird erreicht, dass das den Innenraum der Zentralelektrode 96 durchströmende Medium bedingt durch die auftretenden Zentrifugalkräfte zusätzlich an die Innenwand der Zentralelektrode 96 angepresst wird. Hierzu sind die Überströmöffnungen 134 mit ihrer Haupt-Durchströmungsrichtung geneigt ausgerichtet, weisen also zusätzlich zu einer radialen Richtungskomponente auch noch eine tangentiale Richtungskomponente auf.
Wie insbesondere der ausschnittsweise vergrößerten Darstellung in FIG. 6 entnehmbar ist, ist zudem der die Membran 46 bildende Keramik-Hohlzylinder 80 hinsichtlich seiner Materialwahl und seiner Materialeigenschaften in besonderem Maße auf die ablaufenden Elektrolysevorgänge ausgerichtet. Der die Membran 46 bildende Keramik- Hohlzylinder 80 ist dazu von seiner Bauweise her geeignet ausgeführt und weist insbesondere einen Trägerkörper 140 aus poröser Keramik (im Ausführungsbeispiel α - AI2O3) mit einer mittleren Porengröße von mindestens 100 nm (im Ausführungsbeispiel etwa 3 pm) auf. Durch diese Wahl der Porosität ist insbesondere ein insgesamt vergleichsweise leichter lonentransport mit geeignet hoher lonendurchlässigkeit bei auch für Langzeitgebrauch ausreichend hoher mechanischer Stabilität des Trägerkörpers 140 ermöglicht. Um dabei aber gezielt die einsatzbedingt erwünschten lonenwande- rungsprozesse zu begünstigen und Nebeneffekte und Störprozesse zu minimieren, weist der Trägerkörper 140 an seiner Innenoberfläche eine als Definitionsschicht dienende Beschichtung 142 mit einer offenen Porosität von etwa 40 bis 55 % auf. Die Be- schichtung 142 ist dabei im Vergleich zum vergleichsweise großporigen Trägerkörper 140 vergleichsweise kleinporig ausgeführt und weist eine mittlere Porengröße zwischen 0,2 nm (200 pm) und 150 nm (im Ausführungsbeispiel etwa 100 nm) auf. Die als Definitionsschicht dienende Beschichtung 142 könnte dabei beispielsweise aus Titandioxid (Ti02) mit einer Porengröße von etwa 5 bis 10 nm gebildet sein. Im Ausführungsbeispiel ist als Material dafür α - AI2O3 mit einer Porengröße von etwa 100 nm vorgesehen.
Bezugszeichenliste
Anlage
Elektrolysemodul
Versorgungsleitung / Zuströmleitung Wasserenthärterstation
Venturidüse
Solebehälter
Ablaufleitung
Abströmleitung
Vorratsbehälter
Multiwegeventil
Abflussleitung
Elektrolysezelle
Kathodenraum
Anodenraum
Membran
Entgasungsleitung
Zuleitung
Abströmleitung
Sammelpunkt
Überströmleitung
Abführleitung
Drosselventil
Auffangbehälter
Mengensensor
Temperatursensor
ph-Sensor
Sensor
Keramik-Hohlzylinder
Hohlzylinder
Außengehäuse Abschlusskappe
Stirnplatte
Medienanschluss
Hohlzylinder
Zentralelektrode erster Ringraum zweiter Ringraum
Oberflächenbeschichtung
Zentralbohrung
Ringraum
Ringnut
Ringnut
Flanken
Überströmöffnungen
Ein-/Ausströmelement
Überströmöffnung
Trägerkörper
Beschichtung

Claims

Ansprüche
1. Elektrolysezelle (40, 41), insbesondere zur Erzeugung einer elektrochemisch aktivierten Kochsalzlösung, mit einem mit einer Anode versehenen Anodenraum (44) und mit einem von diesem durch eine Membran (46) getrennten, mit einer Kathode versehenen Kathodenraum (42), wobei die Membran (46) als von einem Außengehäuse (84) umgebener Keramik-Hohlzylinder (80) ausgeführt ist, dadurch gekennzeichnet, dass der die Membran (46) bildende Keramik-Hohlzylinder (80) und das diesen umgebende Außengehäuse (84) endseitig jeweils in einer Abschlusskappe (86) gelagert sind, die eine einen Zutrittskanal zum Innenraum des die Membran (46) bildenden Keramik-Hohlzylinders (80) bildende Zentralbohrung (110) und einen diese umlaufenden, medienseitig mit dem Zwischenraum zwischen Membran (46) und Außengehäuse (84) verbundenen Ringraum ( 12) aufweist.
2. Elektrolysezelle (40, 41) nach Anspruch 1, deren die Membran (46) umgebendes Außengehäuse (84) als Hohlzylinder (82), vorzugsweise gebildet aus Metall, ausgeführt ist, der bevorzugt konzentrisch zur Membran (46) angeordnet ist.
3. Elektrolysezelle (40, 41) nach Anspruch 1 oder 2, bei der innerhalb des die Membran (46) bildenden Hohlzylinders (80) eine als Hohlzylinder (94) ausgeführte metallische Zentralelektrode (96) angeordnet ist, deren Innenraum über eine Anzahl von Überströmöffnungen (130) medienseitig mit dem sie außenseitig umgebenden, von der Innenseite der Membran (46) begrenzten Ringraum (98) verbunden ist.
4. Elektrolysezelle (40, 41) nach Anspruch 3, deren Zentralelektrode (96) konzentrisch zur Membran (46) angeordnet ist.
5. Elektrolysezelle (40, 41) nach Anspruch 3 oder 4, bei der die Überströmöffnungen (130) ausschließlich in den Endbereichen der Zentralelektrode (96) positioniert sind.
6. Elektrolysezelle (40, 41) nach einem der Ansprüche 3 bis 5, deren Zentralelektrode (96) endseitig jeweils mit einem in ihren Innenraum hineinragenden, eine Anzahl von Überströmöffnungen (134) aufweisenden Ein-/Ausströmelement (132) versehen ist, wobei die Überströmöffnungen (134) der Ein-/Ausströmelemente (132) in Längsrichtung der Membran (46) gesehen an gleicher Position angeordnet sind wie die Überströmöffnungen (130) der Zentralelektrode.
7. Elektrolysezelle (40, 41) nach Anspruch 6, bei der die Überströmöffnungen (134) der Ein-/Ausströmelemente (132) in radialer Richtung gesehen geneigt angeordnet sind.
8. Elektrolysezelle (40, 41) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, deren Abschlusskappen (86) aus Isolatormaterial, bevorzugt aus einem Kunststoff, vorzugsweise basierend auf PP, PE oder insbesondere bevorzugt aus PTFE, gefertigt sind.
9. Elektrolysezelle (40, 41) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei der die Zentralelektrode (96) als Kathode und das die Membran (46) umgebende Außengehäuse (84) als Anode vorgesehen ist.
10. Elektrolysezelle (40, 41) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, deren Anode eine
Oberflächenbeschichtung (102), vorzugsweise umfassend Platin, Iridium, Ruthenium, Gold und/oder Diamant, aufweist.
11. Elektrolysezelle (40, 41) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, deren Kathode eine Oberflächenbeschichtung, vorzugsweise umfassen Gold, besonders bevorzugt mit einer Schichtdicke von etwa 1 μιτι, aufweist.
12. Elektrolysezelle (40, 41) nach einem der Ansprüche 1 bis 11 , deren die Membran (46) bildender Hohlzylinder (80) einen Trägerkörper (140) aus poröser Keramik mit einer mittleren Porengröße von mindestens 100 nm aufweist, der auf mindestens einer seiner Oberflächen mit einer porösen Definitionsbeschichtung mit einer mittleren Porengröße von höchstens 10 nm versehen ist.
13. Elektrolysezelle (40, 41) nach Anspruch 12, bei der die Definitionsbeschichtung eine mittlere Porengröße von mindestens 0,2 nm aufweist.
14. Anlage (1) zur Erzeugung einer elektrochemisch aktivierten Kochsalzlösung auf s Wasserbasis mit einem Elektrolysemodul (2), das eine Mehrzahl von Elektrolysezellen (40, 41) nach einem der Ansprüche 1 bis 13 umfasst, wobei die Anodenräume (44) der Elektrolysezellen (40, 41) medienseitig in Reihe und die Kathodenräume (42) der Elektrolysezellen (40, 41) medienseitig parallel geschaltet sind. o 15. Anlage (1) nach Anspruch 14, bei der die Anoden der Elektrolysezellen (40, 41) jeweils mit einer Oberflächenbeschichtung (102) versehen sind, wobei Material und Zusammensetzung der jeweiligen Oberflächenbeschichtung abhängig von der Position der jeweiligen Anode in der Serienschaltung der Anodenräume (44) gewählt sind.
5
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