WO1986001191A1

WO1986001191A1 - Method and device for the treatment of water by means of electrolysis

Info

Publication number: WO1986001191A1
Application number: PCT/CH1984/000129
Authority: WO
Inventors: Heinrich Rickenbach
Original assignee: Heinrich Rickenbach
Priority date: 1984-08-17
Filing date: 1984-08-17
Publication date: 1986-02-27
Also published as: EP0190122A1

Description

_ ! _

VERFAHREN UND EINRICHTUNG ZUM BEHANDELN VON WASSER MITTELS ELEKTROLYSE

Die Einrichtung betrifft ein Verfahren zum Behandeln von Wasser durch Entfernen von organischen Verunreinigungen und anorganischen Verbindungen und Ionen aus demselben sowie zur Verhinderung von Feststoffab!agerungen, mittels Elektro- lyse zwischen einer Magnesiumanode und eine Metallkathode sowie eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Die Behandlung von Wasser mittels Elektrolyse zwecks Ent- fernung von aggressiven Verunreinigungen aller Art, welche sowohl Gase als auch organische SüB^'&t€rteέ oder auch Metalle, insbesondere Schwermetaiie, sein können, ist bekannt. Solche Verfahren sowie auch Einrichtungen zu ihrer Durchführung sind seit langem bekannt und auch mehrfach beschrieben worden. Die Ausführungsformen variieren je nach dem beson¬ ders angestrebten Zweck, d.h. danach, ob bestimmte Gase, Säuren oder andere Verunreinigungen ausgetrieben werden sollen. Dies bestimmt die Ausführung und insbesondere auch die Wahl des Materials für die Kathode und die Anode. Bei

OMPI Mg + 2H-0 = Mg( 0H) ₂ + 2H

Als erste Reaktion kann die Bildung von Magnesiumhydroxid bezeichnet werden. Der dabei entstehende Ueberschuss an Wasserstoffionen bewirkt eine Reduktion von anfällig vorhandenem Rost, was sich in der Umwandlung von roten Rostpusteln in schwarze Rostgebilde bestätigt, die sich oftmals ablösen, um darunter die Bildung einer stabilen Schicht zu ermöglichen:

Fe₂0₃ + 2H ^Fe2°2 ⁺ H-0

Als weitere Reaktion bindet sich die Kohlensäure durch Reduktion des Magnesiumhydroxides:

Mg(OH)₂ + H₃C0₂ = MgC0₃ + 2H-0

Desgleichen wird der im Wasser gelöste, stark korrodie¬ rende Sauerstoff durch das Magnesium gebunden:

2Mg + 0- + 2H₂0 = 2Mg(0H)₂ + 2H

Ebenso wichtig erweist sich die durch das Elektrolyse¬ feld vorhandene Aufladung freier Ionen im Wasser. Während bei der Kaltwasseraufbereitung die Verbindung von Magne¬ sium und Calziu karbonat Dolomit ergibt:

Mg + CaC0₃ = (Mg,Ca)C0₃,

geht bei Boilern der ausf llende Calzit auf Grund des Stromflusses in den energiereicheren Argonit über, was auf die temperaturbedingte Störung des Kalk.-Kohlensäure- Gleichgewichtes zurückzuführen ist:

CaC0₃ + H₂0 + C0- = CafHCO- - _ -

letzteren ist es auch schon seit langem bekannt, sie aus Magnesium herzustellen (z. B. FR-PS 2 134 737). Oft sind zahlreiche Kathoden und Anoden vorhanden, die sich innerhalb eines Beckens befinden, und zwischen denen das Wasser auf mäanderförmigem Weg hindurchbewegt wird.

Allen diesen bekannten Anlagen ist gemeinsam, dass sie wenig¬ stens einen Behälter aufweisen, der mit den darin befind- liehen Kathoden und Anoden eine konstruktive Einheit bildet, auch wenn die letzteren zu Reinigungs- und Unterhaltszwecken herausnehmbar angeordnet sind, und der also auf diese Ein¬ heit hin konzipiert worden ist, ebenso meist auf das Ein¬ bringen oder Anschliessen. einer die Wasserzirkulation im Becken herstellenden Vorrichtung, sei diese nun eine Umwälz¬ pumpe, eine Zu- und eine Ableitung für permanenten Durch- fluss oder alles zusammen. Insbesondere ist diesen Anlagen weiterhin gemeinsam, dass die Kathode und Anode bzw. Kathoden und Anoden an eine Fremdstromquelle angeschlossen sind,.- wobei die Auswahl von der Batterie oder vom Akkumulator bis zur an das Netz angeschlossene oder von einem besonderen Stromerzeuger gespiesenenSteueranlage mit Spannungskonstant¬ haltern und anderem Zubehör reicht. Fremdstromquellen sind namentlich bei Durchlaufbecken notwendig, weil nur sie in der Lage sind, die zur Elektrolyse notwendige Potential¬ differenz aufrechtzuerhalten, insbesondere dann, wenn die _^Kathode mit Ablagerungen überzogen wird und die Anode, als sog. Opferanode kleiner wird und dadurch stetig an wirksamer Oberfläche verliert.

Es hat sich jedoch gezei gt , dass di ese aufwendi gen Einrich¬ tungen nicht in al len Fäl len notwendig sind, und dass nament-

O PI

^Zπo lieh dort, wo sich nicht allzu grosse Mengen von Wasser in nicht für die Elektrolyse vorgesehenen Behältern befinden und nur intermittierend ersetzt werden, ein Behandlungs¬ verfahren für dieses stehende Wasser ebenfalls möglich ist, die letztenendes dem Behälter zugut kommt, indem sie dessen Lebensdauer verlängert.

Dieses Verfahren zeichnet sich erfindungsgemäss durch die Merkmale des Anspruches 1, die dazugehörige Einrichtung durch diejenigen des Anspruches 2 aus.

Um die Erfindung in Einzelheiten zu verstehen, soll vorerst das Verfahren anhand seiner verschiedenen Wirkungen erläutert werden; anschliessend folgt die Einrichtung.

Das erfindungsgemässe Verfahren weist folgende Aspekte auf:

1. Verhinderung von Feststoffablagerungen.

Das erfindungsgemässe Verfahren zeigt filtrierende und wasserreinigende Wirkung. Verschiedene chemische Reaktio¬ nen sowie elektrolytisch bedingte Reduktionen und Ver¬ bindungen von freien Gasen, Elementen oder Schwermetallen mit dem gelösten Magnesium bestätigen die Beeinflussung des durch das Verfahren behandelten Wassers.

Je nach der Zusammensetzung des Wassers können verschie¬ dene Verbindungen festgestellt werden, die sich alle als günstig hinsichtlich der Veränderung der Wasserquali¬ tät erwiesen haben. - 5 -

Zu den letzten zwei Gleichungen ist noch beizufügen, dass das anodisch entstandene Magnesiumhydroxid, welches einen Teil der ausgefällten Kalkteilchen einschliesst, in der Umgebung der Behälterwand eine sogenannte Wand- alkalität aufbaut. Diese Eigenschaft ermöglicht auch in Rohrleitungen den Aufbau einer feinen Schutzbelegung. Argonit besitzt gegenüber dem Calzit veränderte physika¬ lische Eigenschaften. Dabei ist hier die schlechte Haft¬ festigkeit auf metallischen Wandungen besonders erwähnens¬

1.0 wert.

In Boilern und Warmwasserleitungen wird also das Aufbauen dicker Kalkschichten oder sogar das Zukalken von Rohr¬ leitungen verhindert. Das sich bildende Koagulat ist

15 aber imstande, eine im Leitungsnetz weitgehend porenfreie, die Metallschicht abdeckende dünne Schutzschicht aufzu¬ bauen.

Durch das neue Verfahren zur Wasserbehandlung sowie im

20 Boiler wird das Wasser nicht enthärtet.

Es handelt sich hier um eine elektrolytisch bedingte Ausfallung und Veränderung des Kalkgefüges in einer Form, die keine Haftfestigkeit und keine normale Kesselstein¬

25 struktur besitzt. Es entsteht dabei ein Weichwassereffekt (Waschmitteleinsparung) bei gleichbleibendem chemischem Härtegrad.

2. Reduktion des Salzgehaltes

30

Dank der grossen Oberfläche des Margnesiumhydroxides wer¬ den neben den vorhin beschriebenen Kalkteilchen die ver¬ schiedensten Salze von aktive Hydroxid absorbiert, wo¬ durch dann der elektrische Widerstand des Elektrolyten

35 heraufgesetzt wird. Eine entsprechende Abnahme der elek-

. trischen Leitfähigkeit bestätigt die beschriebene Salz¬ reduktion. Salze setzen sich wegen ihres relativ hohen spezifischen Gewichtes am Boden des Behälters ab, von wo diese durch eine allenfalls vorhandene Abschlä mvor- richtung oder dann durch Reinigung des Behälters ent¬ fernt werden können.

Versuche haben ergeben, dass der wegen der Gewässereutro- phierung vorhandene, im Trinkwasser jedoch unerwünschte Phosphatgehalt vermindert wird. Das gelöste Salz vom elektrochemisch gebildeten Magnesiumhydoxid wird gebunden und ausgefällt:

5Mg²⁺ + 3H₂0P0₄ + 70H Mg₅(P0₄)₃0H 6H₂0

3. Eliminierung von Schwer etallen

Die Entfernung von Schwermetallen im behandelten Wasser erfolgt auf ähnliche Weise wie die Reduktion der Salze. Durch Koagulation schwerlöslicher Metallsalze mit dem gelförmigen Magnesiumhydroxid-Präzipitat erfolgt die

IV entsprechende Ausscheidung. Eine Ausnahme bildet Cr .

4. Entchlorung von Trinkwasser

Aufgrund der unterschiedlichen Standortpotentiale wird elementares, im Wasser gelöstes Chlor beim Kontakt mit Magnesium zu Chlorid reduziert, während das Metall gleich¬ zeitig zum zweiwertigen, positiv geladenen Magnesiumion oxidiert.

Es bildet sich Magnesiumchlorid. Diese Reaktion wird aufgrund der Anodenaktivierung durch das Halogen bestätigt:

Mg⁺ + C1-(H₂0) = MgCl- + H-,0 Durch die Bildung des wasserlöslichen Metallsalzes wird der unangenehme Chlorgeschmack im Wasser beseitigt. Chlo¬ riertes Trinkwasser kann deshalb mit Hilfe des erfindungs- gemässen Verfahrens auf einfache Weise zu geschmacklich einwandfreiem Trinkwasser aufbereitet werden.

Nunmehr soll, wie bereits erwähnt, auch die zur Durchfüh¬ rung des Verfahrens dienende Einrichtung anhand der beilie¬ genden Zeichnungen näher erläutert werden. In den Fig. 1 - 3 sind drei mögliche Ausführungsformen dargestellt, die sich aufgrund ihres Verwendungszweckes unterscheiden. Diese stel¬ len aber nur eine Auswahl aus den möglichen Varianten dar.

In Fig. 1 ist ein plattenförmiger Körper 1 dargestellt, der derart bearbeitet worden ist, dass drei Arme 2 entstanden sind. Diese Arme sind aus der Plattenebene heraus abgebogen, sodass ein gewölbter Körper entsteht, der sich auf die Enden der Arme 2 abstützt. Zwischen den Armen 2 bilden sich Oeff- nungen 3 aus, durch welche das zu behandelnde Wasser zir¬ kulieren kann. Dieser Körper 1 bildet die Kathode.

Im Zentrum der Kathode 1 ist auf deren konkaven Seite ein weiterer Körper 4 angeordnet. Hier ist er als Scheibe aus¬ gebildet, deren Dicke d etwas geringer ist als der Abstand des Zentrums vom Boden, also geringer als die Höhe der Wölbung des Körpers 1. Diese Scheibe bildet die Anode und besteht aus Magnesium. Sie ist mit dem Körper 1 leitend verbunden.

Einrichtungen von dieser Form eignen sich hauptsächlich

"gTjIlE_

OMPI für die Einlage in Wasserbehältern wie Kaffeekannen, Tee¬ kannen, Wasserkaraffen, Pfannen etc. Die Anordnung des Ano¬ denkörpers 4 auf der Unterseite der Kathode bewirkt einer¬ seits durch das infolge der Potentialdifferenz sich aus¬ bildende elektrische Feld eine intensive Strömung des Wassers durch die Oeffnungen 3 hindurch, wodurch ein guter Reinigungs¬ effekt erzielt wird; andererseits bleiben diejenigen Verun¬ reinigungen, die ausgefällt werden, im wesentlichen unter¬ halb der Kathode 1 konzentriert.

Die Ausführungsform nach Fig. 2 zeigt einen plattenför igen Körper 1, der rechteckig abgewinkelt ist. Der Anodenkörper 4 ist hier in der Höhe nicht mehr beschränkt und daher als Rundstab ausgebildet. Er erstreckt sich parallel zu demjeni- gen Schenkel 5 des abgewinkelten Körpers, der nicht den Anodenkörper 4 trägt. Diese Ausführungsform ist wegen der grossen Oberflächen sowohl der Kathode 1 als auch der Anode 4 leistungsfähiger als die Ausführungsform nach Fig. 1 und eignet sich daher besonders zum Einsatz in rechteckigen Behältern wie Spülkästen für Toiletten, die dadurch vor allem kalkfrei bleiben bzw. es wieder werden.

Die dritte Ausführungsform eignet sich speziell für Aqua- rien. Der Anodenkörper 4 ist wieder eine Scheibe und der . Kathodenkörper 1 im wesentlichen eine schmale Platte, deren Längsseiten 5 leicht gebördelt sein können. Beim Einsetzen uss darauf geachtet werden, dass die Einrichtung vertikal und mit der Anode 4 am oberen Ende der Kathode 1 eingesetzt wird; zweck ässig ist das Anbringen mittels eines oder meh¬ reren Saugnäpfen 5 an einer Wand des Aquariums. Dies ist

OMPI ⁷ deswegen wichtig, weil sich gegebenenfalls an der Anode Wasserstoff, an der längeren Kathode jedoch der für die Flora und Fauna wichtige Sauerstoff bildet. Aus diesem Grund ist auch die Anode 4 nicht zentrisch, sondern am einen Ende der länglichen Kathode angebracht. Statt des Saugnapfes 6 kann auch irgend eine Einhängevorrichtung, z.B. ein Bügel, vorgesehen sein.

Allen, auch den nicht gezeigten Ausführungsformen, ist ge¬ meinsam, dass die Scheiben- oder stabförmige Magnesiumanode 4 mit ihrer einen Stirnseite direkt, also elektrisch leitend, auf der plattenförmigen Kathode 1 angebracht ist. Die Katho¬ de 1 besteht aus einem Metall oder weist wenigstens eine Beschichtung aus einem solchen auf, das ein Normalpotential vom -0,8 bis+1,6 V bei 25°C aufweist. Dieses Metall kann beispielsweise ein Edelmetall sein, aber auch Chromstahl eignet sich gut. Bei Verwendung von Silber wirkt sich dessen bakterienhemmende Eigenschaft zusätzlich als Vorteil aus. Am besten eignen sich Metalle mit grosser Potentialdifferenz gegenüber Magnesium, damit die elektrolytische Wirkung trotz Belagsbildung lange Zeit erhalten bleibt. Beläge können übrigens durch Einlegen der Einrichtung in eine Säure oder in Essig wieder entfernt werden.

Da die Magnesiumanode als sog. Opferanode mit der Zeit in ihrer Grosse stark abnimmt, ist eine Verbindung zur Kathode zu wählen, die ein Ersetzen der Anode besonders leicht mög- lieh macht.

Mit den obigen Angaben und Erl uterungen betreffend das erfindungsgemässe Verfahren werden die eingangs erwähnten Eigenschaften der reinigenden und qualitätsverbessernden Wirkung auf Wasser voll bestätigt sein.

Claims

- 11 -

PA 84/63

PATENTANSPRUECHE

Verfahren zur Behandlung von Wasser durch Entfernen von organischen Verunreinigungen und anorganischen Verbindungen und Ionen aus demselben sowie zur Verhinderung von Feststoff- ablagerungen, mittels Elektrolyse zwischen einer Magnesium¬ anode und einer Metallkathöde, dadurch gekennzeichnet, dass in einen beliebigen Behälter mit dem stehenden, periodisch ersetzten und zu behandelnden Wasser wenigstens eine Ein¬ richtung eingebracht wird, welche die- genannte Anode und Kathode aufweist, wobei das Wasser als Elektrolyt verwendet wird, dass diese Einrichtung unabhängig von einer Fremd- stromquelle für die Elektrolyse arbeitet und der zur Elek- trolyse notwendige Strom nur durch Verwendung eines Metalls oder einer Metallbeschichtung für die Kathode erzeugt wird, das bzw. die ein Normalpotential von -0,8 bis +1,6 V bei 25°C aufweist, und dass die Anode und Kathode elektrisch leitend miteinander verbunden sind.

!_.

Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnesiumanode (4) ein

_ OMPI Körper ist, der auf einem als Kathode dienenden platten- förmigen Körper (1) aufgesetzt ist, welcher entweder aus einem Metall mit grosser Potentialdifferenz gegenüber Magne¬ sium besteht oder wenigstens eine Beschichtung aus diesem Metall aufweist.

!_.

Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Metall ein Edelmetall ist.

4^

Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnesiumkörper^' (4) ein Rundstab ist, der an seiner einen Stirnseite am Kathodenkörper (1) angebracht ist.

I__ Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Kathodenkörper (1) eine ebene oder gewölbte oder abge¬ winkelte Platte ist.

6^

Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis zwischen der Oberfläche der Kathode (1) und derjenigen der Anode (4) in einem Bereich vom 100 : 1 bis 1 : 1 liegt, für optimale Wirkung jedoch im wesentlichen 10 : 1 beträgt.