WO2010012481A1 - Verfahren und anlage zur aufbereitung von wasser - Google Patents

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WO2010012481A1
WO2010012481A1 PCT/EP2009/005556 EP2009005556W WO2010012481A1 WO 2010012481 A1 WO2010012481 A1 WO 2010012481A1 EP 2009005556 W EP2009005556 W EP 2009005556W WO 2010012481 A1 WO2010012481 A1 WO 2010012481A1
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reverse osmosis
treated
electrolysis cell
cell
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PCT/EP2009/005556
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Wolfgang Neubrand
Christian Brand
Swen Beusshausen
Jürgen JOHANN
Thomas Menzel
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Christ Water Technology Ag
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    • C02F2201/46115—Electrolytic cell with membranes or diaphragms

Definitions

  • the present invention relates to a process for the treatment of water, in particular for the production of ultrapure water, and a water treatment plant, which is particularly suitable for carrying out such a process.
  • the water to be treated is passed under pressure along a permeable membrane for water, wherein water passes through the membrane as permeate and most of the ions are retained by the permselective membrane.
  • the water to be treated is separated into a low-salt partial stream (permeate) and a high-salt partial stream (concentrate).
  • Carbonic acid is a biprotic acid that can release its protons into water in two dissociation stages.
  • the concentration of H + ions is At a given pH value, the quantitative ratio of the different species is thus fixed to one another, ie more than 99% of the dissolved carbon dioxide is present as free carbonic acid at a pH of about 4.
  • the concentration of dissolved carbon dioxide in raw water can range from a few mg / l to more than 20 mg / l. Since dissolved carbon dioxide can not be retained by the available reverse osmosis membranes, the permeate of a reverse osmosis always approximately has the CO 2 content of the raw water. Due to the described acid properties of CO 2 , a pH shift of the permeate into the acidic region occurs. If the conductivity of water in the course of a treatment, as required for example in the Pharmaceutical Rules, should be reduced to values below 2 or even below 1, 5 ⁇ S / cm, so attributable to the existing carbon dioxide conductivity is proportionate large. It is known to degas the water by means of vacuum to remove dissolved in water CO 2 . The stripping of CO 2, for example by means of air belongs to the prior art.
  • lye eg sodium hydroxide solution
  • lye eg sodium hydroxide solution
  • This procedure is considered to be disadvantageous in view of the often quite high consumption of chemicals and the necessary handling of hazardous lye.
  • the consequent increase in salinity makes it difficult to achieve product conductivity in the range of less than 2 ⁇ S / cm even by a subsequent multi-stage reverse osmosis process.
  • the dosage of lye in slightly or not buffered water is technically very expensive. At too low a dosage, the carbon dioxide can not be separated to the expected extent, resulting in too high conductivity of the permeate. If the dosage is too high, the salt content of the permeate can be increased in such a way that too high a conductivity results due to the residual liquor content.
  • the object underlying the present invention was essentially to provide an at least equivalent technical solution to the known from the prior art method for removing CO 2 from water, which is technically easy to implement and with which even existing systems can optionally be easily retrofitted ,
  • the water to be treated in a process for producing ultrapure water, is passed through a reverse osmosis stage.
  • the method according to the invention is characterized in that the pH of the water to be treated is increased prior to introduction into the reverse osmosis stage by means of at least one electrolysis cell.
  • the pH of the water to be treated in a process according to the invention is set to a value between 4.3 and 10, preferably between 5.0 and 9, particularly preferably between 6.5 and 8.8. Within this range, a pH of about 8.6 is more preferred.
  • CO 2 dissolved by increasing the pH in the water is at least partially converted into an ionic form, in particular into bicarbonate and / or carbonate. Hydrogen carbonate and carbonate can then be easily removed in a downstream reverse osmosis stage.
  • the advantages of this approach are obvious, so no additional chemicals or other aids such as stripping or vacuum are needed.
  • the increased pH may, if appropriate, counteract the formation of biofilms and thus prevent microbiological problems in downstream reverse osmosis plants.
  • the claimed technical solution is very easy to implement, and existing water treatment plant can be easily retrofitted with an electrolysis cell.
  • the at least one electrolytic cell is operated at a voltage in the range between 5 V and 100 V.
  • a method according to the invention can be used as electrolysis cells in principle, such cells, as they are already known from the structure of conventional electromembrane method.
  • the process according to the invention can already be carried out very well with a relatively simply constructed electrolysis cell which is between preferably flat electrodes formed an ion-selective membrane, for example a conventional monopolar ion exchange membrane having.
  • the water to be treated is in this case passed through the cathode space (space between the cathode and membrane) of the electrolysis cell.
  • a cation-containing water stream is passed through the anode space (space between anode and membrane) of the electrolysis cell at the same time, which is separated from the water to be treated by the membrane.
  • the cation-containing water stream is in particular a water stream containing alkali ions, more preferably a water stream containing sodium and / or potassium ions.
  • OH ' ions and hydrogen are formed from water in an electrochemical reaction, while protons and oxygen are formed from water at the anode.
  • the charge balance between the two electrochemical half-cells can be effected in that, for example, cations can pass from an alkali ion-containing water stream through the membrane into the cathode space with the water to be treated.
  • the electrolytic cell used in a method according to the invention may further be designed such that it has a multilayer membrane arrangement between the electrodes.
  • adjacent membranes form chambers through which the water to be treated or the cation-containing water stream can be passed.
  • both mono- and bipolar membranes can be used, later more.
  • Suitable ion-selective membranes are known to the person skilled in the art. The same applies to the aforementioned bipolar ren membranes.
  • suitable bipolar membranes are composed of a cation exchange membrane, an anion exchange membrane, and optionally a catalytic interlayer to accelerate the dissociation of water into protons and hydroxide ions.
  • retentate or concentrate from a reverse osmosis stage in particular from one of the at least one electrolytic cell immediately downstream of the reverse osmosis stage, can be used with particular advantage as the cation-containing water stream.
  • no chemicals must be added for this purpose.
  • the process according to the invention can be used in multi-stage water treatment processes.
  • the water to be treated has already been treated in at least one upstream reverse osmosis stage prior to introduction into the electrolysis cell.
  • the increase in pH then occurs between two reverse osmosis levels.
  • the water to be treated Before being introduced into the electrolysis cell, the water to be treated preferably has a conductivity of between 10 ⁇ S / cm and 1000 ⁇ S / cm.
  • a water treatment plant according to the invention is used in particular for carrying out the method described above. It comprises at least one reverse osmosis device, which is preceded by at least one electrolysis cell.
  • the at least one electrolytic cell is arranged between two reverse osmosis devices.
  • the at least an electrolytic cell upstream of a double-stage reverse osmosis device.
  • the at least one electrolysis cell itself preferably has a sequence of mono- and / or bipolar membrane. Some examples of this can be found in the following description of preferred embodiments.
  • the electrolysis cell in particularly preferred embodiments may be a round or wound cell.
  • the electrodes can be arranged in the form of continuous sheetlike laminates or in the form of grids or nets around a substantially cylindrical core, separated by one or more laminar membranes and optionally further functional parts such as spacers.
  • the electrolysis cell has the above-mentioned membrane arrangement with chambers of adjacent mono- and / or bipolar membranes between the electrodes. In these cases, the water to be treated is passed through each second chamber. By the intervening chambers, e.g. in the same or in countercurrent, the cation-containing water flow out.
  • Fig. 1 shows a schematic diagram for explaining the method according to the invention.
  • Fig. 2 shows schematically the structure of a possible embodiment of an electrolytic cell for use in a method according to the invention or in a water treatment plant according to the invention.
  • Fig. 3 illustrates a possible placement of an electrolytic cell in a water treatment plant according to the invention.
  • the electrolysis cell shown schematically has a cathode and an anode. Between the two electrodes, the membrane K is arranged, it is a cation dewormer membrane. It is within the scope of the present invention readily possible to replace this membrane, for example by another ion-selective membrane. When sufficiently high electrical voltage is applied, the electrodes decompose. Hydrogen and OH ' ions are formed at the cathode, oxygen and protons are formed at the anode.
  • the water to be treated is passed through the cathode space (the space between the cathode and the membrane K) while passing through the anode space (space between the anode and the membrane K) a cation-containing water stream, here a sodium ion-containing water stream, is passed.
  • the membrane K is permeable to sodium ions, so that a charge balance between the two half-cells can take place. As a result, it comes in the cathode compartment to an accumulation of sodium hydroxide, whereby the pH of the water to be treated increases. As a result, carbon dioxide contained in the water is converted into bicarbonate.
  • FIG. 2 schematically shows an embodiment of a preferred electrolysis cell according to the invention, comprising a cathode and an anode. Between the electrodes are stacked arranged several membranes. Illustrated on the one hand are the bipolar membranes B and the cation exchange membranes K, the bipolar membranes B being separated from each other by a cation exchange membrane K and vice versa. Adjacent bipolar membranes B and cation exchange membranes K each form a chamber through which the water to be treated and the cation-containing water stream can be passed. For the water to be treated, the chambers K1 are provided, while the cation-containing water flow is passed in cocurrent or countercurrent through the chambers K2.
  • sodium ions can readily enter the chambers K1 through the cation exchange membranes, while OH " ions, once in the chambers K1, are” trapped "there.
  • caustic soda accumulates in the chambers K1 and the pH of the water carried there increases as desired.
  • the section of the flow chart of a water treatment plant according to the invention shown in FIG. 3 essentially comprises two treatment sections. In a first section, this will be processed de water over several ion exchangers out and so softened. In a second section, a purification is carried out in a multistage reverse osmosis system. Upstream of the reverse osmosis devices is an electrolysis cell in which the pH of the water to be treated is raised sufficiently to convert CO 2 contained in the water into bicarbonate. This can then be separated in the reverse osmosis devices. Also shown is the recycle of retentate from the reverse osmosis devices into the electrolysis cell mentioned in the description.

Abstract

Beschrieben werden ein Verfahren zur Aufbereitung von Wasser, insbesondere zur Herstellung von Reinstwasser, wobei das aufzubereitende Wasser durch eine Umkehrosmosestufe geführt wird und wobei der pH-Wert des aufzubereitenden Wassers vor Einleitung in die Umkehrosmosestufe mittels mindestens einer Elektrolysezelle erhöht wird, eine Wasseraufbereitungsanlage, insbesondere zur Durchführung eines solchen Verfahrens, umfassend mindestens eine Umkehrosmoseeinrichtung, der mindestens eine Elektrolysezelle vorgeschaltet ist und die Verwendung einer Elektrolysezelle zur Aufbereitung von Wasser, insbesondere in einem solchen Verfahren oder in einer solchen Wasseraufbereitungsanlage.

Description

Beschreibung
Verfahren und Anlage zur Aufbereitung von Wasser
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Aufbereitung von Wasser, insbesondere zur Herstellung von Reinstwasser, und eine Wasseraufbereitungsanlage, die sich insbesondere zur Durchführung eines solchen Verfahrens eignet.
Die Aufbereitung von Wasser ist in der heutigen Zeit von stetig steigender Bedeutung, insbesondere im Bereich der Trinkwassergewinnung sowie bei der Herstellung hochreiner Prozeßwässer. Besonders hohe Anforderungen an die Wasserreinheit werden insbesondere im letzteren Fall gestellt, beispielsweise im Falle von Prozeßwässern, die für pharmazeutische Verwendungen oder für Anwendungen in der Halbleiterproduktion vorgesehen sind.
Im Zuge der Aufbereitung von Wasser für derartige Anwendungen kommt insbesondere der an sich bekannte Prozeß der Umkehrosmose zum Einsatz. Dabei wird das aufzubereitende Wasser unter Druck entlang einer für Wasser permeablen Membran geführt, wobei Wasser als Permeat durch die Membran hindurchtritt und die meisten Ionen durch die permselektive Membran zurückgehalten werden. Das aufzubereitende Wasser wird so in einen salzarmen Teilstrom (Permeat) und einen salzreichen Teilstrom (Konzentrat) aufgetrennt.
Relativ schwierig ist allerdings die Abtrennung nicht-ionischer Verbindungen wie z. B. von Kohlendioxid (CO2). Gelöstes Kohlendioxid steht in wäßriger Lösung stets im Gleichgewicht mit Kohlensäure (H2CO3):
H2O + CO2 <→ H2CO3 H2CO3 <-> H+ + HCO3 " HCO3 <-> H+ + CO3 2"
Kohlensäure ist eine zweiprotonige Säure, die ihre Protonen entsprechend in zwei Dissoziationsstufen an Wasser abgeben kann. Die Konzentrationen der drei Kohlensäure-Spezies, also der freien Kohlensäure (HbCO3), des Hydrogencarbonats (HCO3 ) und des Carbonats (CO3 2") stehen miteinander durch das Massenwirkungsgesetz in einem berechenbaren Zusammenhang. Die Konzentration der H+-Ionen wird durch den pH-Wert ausgedrückt. Bei einem gegebenen pH-Wert ist somit das Mengenverhältnis der unterschiedlichen Spezies zueinander festgelegt. So liegen bei einem pH-Wert von ca. 4 mehr als 99 % des gelösten Kohlendioxids als freie Kohlensäure vor. Bei einem pH-Wert von 6,5 liegen etwa gleich viel Kohlensäure und Hydrogencarbonat vor, wobei der Anteil des Carbonats noch weit unter 1 % liegt. Etwa bei pH 8,3 liegt der maximale Anteil an Hydrogencarbonat mit ca. 98 % vor. Bei einem pH von 10,5 (entspricht dem pKs der zweiten Säurekonstante) liegen gleiche Mengen Hydrogencarbonat und Carbonat sowie ein verschwindend kleiner Anteil an freier Kohlensäure vor.
In Rohwasser kann die Konzentration an gelöstem Kohlendioxid je nach Quelle bei wenigen mg/l bis über 20 mg/l liegen. Da gelöstes Kohlendioxid von den verfügbaren Umkehrosmosemembranen nicht zurückgehalten werden kann, weist das Permeat einer Umkehrosmose stets annähernd den CO2-Gehalt des Rohwassers auf. Aufgrund der beschriebenen Säureeigenschaften des CO2 erfolgt eine pH-Verschiebung des Permeats in den sauren Bereich. Wenn die Leitfähigkeit von Wasser im Zuge einer Aufbereitung, wie sie z.B. in den Pharmazeutischen Regelwerken gefordert ist, auf Werte unterhalb von 2 oder gar auf unterhalb von 1 ,5 μS/cm reduziert werden soll, so ist der auf das vorhandene Kohlendioxid zurückzuführende Leitfähigkeitsanteil verhältnismäßig groß. Es ist bekannt, zur Entfernung von in Wasser gelöstem CO2 das Wasser mittels Vakuum zu entgasen. Auch das Ausstrippen von CO2 z.B. mittels Luft gehört zum Stand der Technik.
Weiterhin kann dem Wasser Lauge (z.B. Natronlauge) zugegeben werden, wodurch gelöstes CO2 in Hydrogencarbonat überführt wird, welches von Membranen für die Umkehrosmose gut zurückgehalten werden kann. Diese Vorgehensweise wird im Hinblick auf den oft recht hohen Chemikalienverbrauch sowie den erforderlichen Umgang mit gefährlicher Lauge als nachteilig angesehen. Außerdem wird in manchen Fällen durch die dadurch bedingte Erhöhung des Salzgehalts die Erreichung einer Produktleitfähigkeit im Bereich von weniger als 2 μS/cm selbst durch ein sich anschließendes mehrstufiges Umkehrosmoseverfahren schwierig. Darüber hinaus ist die Dosierung von Lauge in geringfügig oder nicht gepuffertes Wasser technisch sehr aufwendig. Bei einer zu geringen Dosierung kann das Kohlendioxid nicht in dem erwarteten Maße abgetrennt werden, was eine zu hohe Leitfähigkeit des Permeats zur Folge hat. Bei zu hoher Dosierung kann der Salzgehalt des Permeats derart erhöht werden, daß eine zu hohe Leitfähigkeit aufgrund des Restlaugengehaltes resultiert.
Ein weiteres Verfahren zur Entfernung von CO2 ist aus der EP 0 899 239 bekannt. In diesem Dokument ist ein Wasseraufbereitungsverfahren beschrieben, gemäß dem dem aufzubereitenden Wasser vor oder nach einer Osmosestufe gelöstes CO2 vorzugsweise ohne Zugabe von Chemikalien entzogen wird, indem das Wasser entlang einer für CO2 permeablen Wand geführt wird, die ein Reservoir mit einem gegenüber dem CO2-Partialdruck des Wasser geringeren CO2-Partialdruck begrenzt. Gegenüber den klassischen Vorgehensweisen bietet diese Methode zweifelsfrei viele Vorteile. Es werden allerdings hochwertige und teure Membranen benötigt, die für CO2 (und nicht für Wasser) durchlässig sind.
Die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Aufgabe bestand im wesentlichen darin, eine zu den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren mindestens gleichwertige technische Lösung zur Entfernung von CO2 aus Wasser bereitzustellen, die technisch einfach realisierbar ist und mit der sich auch bestehende Anlagen gegebenenfalls leicht nachrüsten lassen.
Diese Aufgabe wird gelöst durch das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und die Wasseraufbereitungsanlage mit den Merkmalen des Anspruchs 10. Bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie der erfindungsgemäßen Wasseraufbereitungsanlage finden sich in den Ansprüchen 2 bis 9 sowie 11 bis 14. Daneben ist auch die Verwendung gemäß Anspruch 15 von der vorliegenden Erfindung umfaßt. Der Wortlaut sämtlicher Ansprüche wird hiermit durch Bezugnahme zum Inhalt dieser Beschreibung gemacht.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird in einem Verfahren zur Herstellung von Reinstwasser das aufzubereitende Wasser durch eine Umkehrosmosestufe geführt. Besonders zeichnet sich das erfindungsgemäße Verfahren dadurch aus, daß der pH-Wert des aufzubereitenden Wassers vor Einleitung in die Umkehrosmosestufe mittels mindestens einer Elektrolysezelle erhöht wird.
Verwendbare Elektrolysezellen sind im Folgenden im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie im Rahmen der erfindungsgemäßen Wasseraufbereitungsanlage beschrieben. Sollten einzelne bevorzugte Merkmale der mindestens einen Elektrolysezelle nur im Zusammenhang mit dem Verfahren oder nur im Zusammenhang mit der Was- Seraufbereitungsanlage genannt sein, so sollen sie dennoch jeweils für beide gelten.
Besonders bevorzugt wird der pH-Wert des aufzubereitenden Wassers bei einem erfindungsgemäßen Verfahren auf einen Wert zwischen 4,3 und 10, bevorzugt zwischen 5,0 und 9, besonders bevorzugt zwischen 6,5 und 8,8, eingestellt. Innerhalb dieses Bereiches ist ein pH-Wert von ca. 8,6 weiter bevorzugt. Wie eingangs ausgeführt, wird durch die Erhöhung des pH-Wertes im Wasser gelöstes CO2 mindestens teilweise in eine ionische Form, insbesondere in Hydrogencarbonat und/oder Car- bonat, umgewandelt. Hydrogencarbonat und Carbonat können anschließend leicht in einer nachgeschalteten Umkehrosmosestufe entfernt werden.
Die Vorteile dieser Vorgehensweise sind offensichtlich, so werden weder Zusatzchemikalien noch andere Hilfsmittel wie Strippluft oder Vakuum benötigt. Darüber hinaus kann der erhöhte pH-Wert gegebenenfalls der Bildung von Biofilmen entgegenwirken und so mikrobiologische Probleme in nachgeschalteten Umkehrosmoseanlagen verhindern. Weiterhin ist die beanspruchte technische Lösung sehr einfach zu realisieren, und auch bestehende Wasseraufbereitungsanlage können leicht mit einer Elektrolysezelle nachgerüstet werden.
Vorzugsweise wird die mindestens eine Elektrolysezelle bei einer Spannung im Bereich zwischen 5 V und 100 V betrieben.
In einem erfindungsgemäßen Verfahren können als Elektrolysezellen grundsätzlich solche Zellen eingesetzt werden, wie sie vom Aufbau her bereits aus üblichen Elektromembranverfahren bekannt sind.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann bereits sehr gut mit einer relativ einfach aufgebauten Elektrolysezelle durchgeführt werden, die zwischen vorzugsweise flächig ausgebildeten Elektroden eine ionenselektive Membran, z.B. eine übliche monopolare lonentauschermembran, aufweist. Das aufzubereitende Wasser wird in diesem Fall durch den Kathodenraum (Raum zwischen Kathode und Membran) der Elektrolysezelle geleitet. Vorzugsweise wird durch den Anodenraum (Raum zwischen Anode und Membran) der Elektrolysezelle gleichzeitig ein katio- nenhaltiger Wasserstrom geleitet, der von dem aufzubereitenden Wasser durch die Membran getrennt ist.
Bei dem kationenhaltigen Wasserstrom handelt es sich insbesondere um einen alkaliionenhaltigen Wasserstrom, besonders bevorzugt um einen Wasserstrom mit Natrium- und/oder Kaliumionen.
An der Kathode der Elektrolysezelle entstehen in einer elektrochemischen Reaktion aus Wasser OH'-Ionen und Wasserstoff, während an der Anode Protonen und Sauerstoff aus Wasser gebildet werden. Der Ladungsausgleich zwischen den beiden elektrochemischen Halbzellen kann dadurch erfolgen, daß z.B. Kationen aus einem alkaliionenhaltigen Wasserstrom durch die Membran in den Kathodenraum mit dem aufzubereitenden Wasser treten können.
Die in einem erfindungsgemäßen Verfahren verwendete Elektrolysezelle kann desweiteren derart ausgestaltet sein, daß sie zwischen den Elektroden eine mehrschichtige Membrananordnung aufweist. Vorzugsweise bilden benachbarte Membranen dabei Kammern aus, durch die das aufzubereitende Wasser bzw. der kationenhaltige Wasserstrom geführt werden können. Hierfür können sowohl mono- als auch bipolare Membranen verwendet werden, später hierzu noch mehr.
An die Beschaffenheit der verwendeten Membranen gibt es keine besonderen Anforderungen. Geeignete ionenselektive Membranen sind dem Fachmann bekannt. Gleiches gilt auch für die vorgenannten bipola- ren Membranen. Vorzugsweise sind geeignete bipolare Membranen aus einer Kationentauschermembran, einer Anionentauschermembran und optional aus einer katalytischen Zwischenschicht zur Beschleunigung der Dissoziation von Wasser in Protonen und Hydroxidionen aufgebaut.
Als kationenhaltiger Wasserstrom kann im übrigen mit besonderem Vorteil Retentat bzw. Konzentrat aus einer Umkehrosmosestufe, insbesondere aus einer der mindestens einen Elektrolysezelle unmittelbar nachgeschalteten Umkehrosmosestufe, verwendet werden. Somit müssen auch hierfür keinerlei Chemikalien zugegeben werden. Natürlich wäre es aber auch denkbar, den kationenhaltigen Wasserstrom über einen separaten Zulauf einzuspeisen.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann selbstverständlich in mehrstufigen Wasseraufbereitungsverfahren eingesetzt werden. So kann es bevorzugt sein, daß das aufzubereitende Wasser vor Einleitung in die Elektrolysezelle bereits in mindestens einer vorgeschalteten Umkehrosmosestufe behandelt wurde. Mit anderen Worten, die Anhebung des pH- Werts erfolgt dann zwischen zwei Umkehrosmosestufen.
Das aufzubereitende Wasser weist vor Einleitung in die Elektrolysezelle besonders bevorzugt eine Leitfähigkeit zwischen 10 μS/cm und 1000 μS/cm auf.
Eine erfindungsgemäße Wasseraufbereitungsanlage dient insbesondere zur Durchführung des oben beschriebenen Verfahrens. Sie umfaßt mindestens eine Umkehrosmoseeinrichtung, welcher mindestens eine Elektrolysezelle vorgeschaltet ist.
Wie soeben erwähnt, kann es bevorzugt sein, daß die mindestens eine Elektrolysezelle zwischen zwei Umkehrosmoseeinrichtungen angeordnet ist. In besonders bevorzugten Ausführungsformen ist die mindestens eine Elektrolysezelle einer doppelstufigen Umkehrosmoseeinrichtung vorgeschaltet.
Die mindestens eine Elektrolysezelle selbst weist bevorzugt eine Sequenz aus mono- und/oder bipolaren Membran auf. Einige Beispiele hierfür finden sich in der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen.
Desweiteren ist noch hervorzuheben, daß es sich bei der Elektrolysezelle in besonders bevorzugten Ausführungsformen um eine Rund- bzw. Wickelzelle handeln kann. So können die Elektroden beispielsweise in Form von durchgängigen, flächigen Blechen oder in Form von Gittern oder Netzen um einen im wesentlichen zylindrischen Kern herum angeordnet werden, getrennt durch eine oder mehrere flächige Membranen sowie gegebenenfalls weitere Funktionsteile wie Spacer. Dies ist insbesondere auch denkbar, wenn die Elektrolysezelle zwischen den Elektroden die oben erwähnte Membrananordnung mit Kammern aus benachbarten mono- und/oder bipolaren Membranen aufweist. In diesen Fällen wird das aufzubereitende Wasser durch jeweils jede zweite Kammer geleitet. Durch die dazwischenliegenden Kammern wird z.B. im Gleichoder im Gegenstrom der kationenhaltige Wasserstrom geführt.
Es sei zuletzt noch erwähnt, daß auch die Verwendung einer Elektrolysezelle zur Aufbereitung von Wasser, insbesondere in einem erfindungsgemäßen Verfahren oder in einer erfindungsgemäßen Wasseraufbereitungsanlage, von der vorliegenden Erfindung umfaßt ist.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen in Verbindung mit den Zeichnungen und den Unteransprüchen. Hierbei können die einzelnen Merkmale der Erfindung alleine oder in Kombination miteinander verwirklicht sein. Die beschriebenen Ausführungsformen dienen zur Erläu- terung und zum besseren Verständnis der Erfindung und sind in keinster Weise einschränkend zu verstehen.
Figurenbeschreibung
Fig. 1 zeigt eine Prinzipskizze zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Fig. 2 zeigt schematisch den Aufbau einer möglichen Ausführungsform einer Elektrolysezelle zur Verwendung in einem erfindungsgemäßen Verfahren oder in einer erfindungsgemäßen Wasseraufbereitungsanlage.
Fig. 3 illustriert eine mögliche Platzierung einer Elektrolysezelle in einer erfindungsgemäßen Wasseraufbereitungsanlage.
Fig. 4 zeigt eine Darstellung der Anteile von CO2, HCO3 ', CO3 2' als
Funktion des pH-Wertes.
Das Prinzip des erfindungsgemäßen Verfahrens läßt sich gut anhand von Fig. 1 erklären. Die schematisch dargestellte Elektrolysezelle weist eine Kathode und eine Anode auf. Zwischen den beiden Elektroden ist die Membran K angeordnet, es handelt sich dabei um eine Kationentau- schermembran. Es ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung ohne weiteres möglich, diese Membran z.B. durch eine andere ionenselektive Membran zu ersetzen. Beim Anlegen ausreichend hoher elektrischer Spannung kommt es an den Elektroden zur Wasserzersetzung. An der Kathode bilden sich dabei Wasserstoff und OH'-Ionen, an der Anode bilden sich Sauerstoff und Protonen. Das aufzubereitende Wasser wird durch den Kathodenraum (der Raum zwischen der Kathode und der Membran K) geleitet, während durch den Anodenraum (Raum zwischen der Anode und der Membran K) ein kationenhaltiger Wasserstrom, hier ein natriumionenhaltiger Wasserstrom, geleitet wird. Die Membran K ist durchlässig für Natriumionen, so daß ein Ladungsausgleich zwischen den beiden Halbzellen stattfinden kann. Infolgedessen komm es im Kathodenraum zu einer Anreicherung von Natriumhydroxid, wodurch der pH-Wert des aufzubereitenden Wassers ansteigt. Im Wasser enthaltenes Kohlendioxid wandelt sich dadurch in Hydrogencarbonat um.
In Fig. 2 ist schematisch eine Ausführungsform einer erfindungsgemäß bevorzugten Elektrolysezelle, umfassend eine Kathode und eine Anode, dargestellt. Zwischen den Elektroden befinden sich stapelartig angeordnet mehrere Membranen. Dargestellt sind zum einen die bipolaren Membranen B und die Kationentauschermembranen K, wobei die bipolaren Membranen B jeweils durch eine Kationentauschermembran K voneinander getrennt sind und umgekehrt. Benachbarte bipolare Membranen B und Kationentauschermembranen K bilden jeweils eine Kammern aus, durch die das aufzubereitende Wasser sowie der kationenhal- tige Wasserstrom geleitet werden können. Für das aufzubereitende Wasser sind die Kammern K1 vorgesehen, während der kationenhaltige Wasserstrom im Gleich- oder Gegenstrom durch die Kammern K2 geleitet wird. Bei der gewählten Ausrichtung der Membranen können Natriumionen ohne weiteres durch die Kationentauschermembranen in die Kammern K1 eintreten während OH"-Ionen, wenn sie einmal in die Kammern K1 gelangt sind, dort „gefangen" sind. Im Ergebnis reichert sich Natronlauge in den Kammern K1 an und der pH-Wert des dort durchgeführten Wassers steigt an, wie gewünscht.
Der in Fig. 3 dargestellte Ausschnitt des Fließbilds einer erfindungsgemäßen Wasseraufbereitungsanlage umfasst im Wesentlichen zwei Behandlungsabschnitte. In einem ersten Abschnitt wird das aufzubereiten- de Wasser über mehrere lonentauscher geführt und so enthärtet. In einem zweiten Abschnitt erfolgt eine Aufreinigung in einem mehrstufigen Umkehrosmosesystem. Den Umkehrosmoseeinrichtungen vorgeschaltet ist eine Elektrolysezelle, in der der pH-Wert des aufzubereitenden Wassers ausreichend angehoben wird, um im Wasser enthaltenes CO2 in Hydrogencarbonat umzuwandeln. Dieses kann anschließend in den Umkehrosmoseeinrichtungen abgetrennt werden. Ebenfalls dargestellt ist die in der Beschreibung erwähnte Rückführung von Retentat aus den Umkehrosmoseeinrichtungen in die Elektrolysezelle.
In Fig. 4 sind die Konzentrationen der drei Kohlensäure-Spezies, also der freien Kohlensäure (HaCO3), des Hydrogencarbonats (HCO3 ") und des Carbonats (CO3 2 ) in Abhängigkeit des pH-Werts dargestellt. Wie eingangs bereits erwähnt, liegen bei einem pH-Wert von ca. 6,5 etwa gleich viel Kohlensäure und Hydrogencarbonat vor. Bei einem pH-Wert von ca. 8,3 liegt der maximale Anteil an Hydrogencarbonat mit ca. 98 % vor.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Aufbereitung von Wasser, insbesondere zur Herstellung von Reinstwasser, wobei das aufzubereitende Wasser durch eine Umkehrosmosestufe geführt wird und wobei der pH- Wert des aufzubereitenden Wassers vor Einleitung in die Umkehrosmosestufe mittels mindestens einer Elektrolysezelle erhöht wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der pH-Wert des aufzubereitenden Wassers auf einen Wert zwischen 5,0 und 9, vorzugsweise zwischen 6,5 und 8,8, insbesondere auf einen Wert von ca. 8,6, erhöht wird.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Elektrolysezelle bei einer Spannung im Bereich zwischen 5 V und 100 V betrieben wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Elektrolysezelle verwendet wird, die zwischen den Elektroden eine mono- oder bipolare Membran aufweist.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Elektrolysezelle verwendet wird, die zwischen den Elektroden eine mehrschichtige Membrananordnung mit Kammern gebildet aus benachbarten mono- und/oder bipolaren Membranen aufweist.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch die mindestens eine Elektrolysezelle ein kationenhaltiger, insbesondere alkaliionenhaltiger, Wasserstrom geführt wird, der von dem aufzubereitenden Wasser durch mindestens eine monopolare Membran getrennt ist.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass als kationenhaltiger Wasserstrom Retentat aus einer Umkehrosmosestufe, insbesondere aus der der mindestens einen Elektrolysezelle unmittelbar nachgeschalteten Umkehrosmosestufe, verwendet wird.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das aufzubereitende Wasser vor Einleitung in die mindestens eine Elektrolysezelle in mindestens einer vorgeschalteten Umkehrosmosestufe behandelt wird.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das aufzubereitende Wasser vor Einleitung in die mindestens eine Elektrolysezelle auf eine Leitfähigkeit zwischen 10 μS/cm und 1000 μS/cm eingestellt wird.
10. Wasseraufbereitungsanlage, insbesondere zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend mindestens eine Umkehrosmoseeinrichtung, der mindestens eine Elektrolysezelle vorgeschaltet ist.
11. Wasseraufbereitungsanlage nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Elektrolysezelle zwischen zwei Umkehrosmoseeinrichtungen angeordnet ist.
12. Wasseraufbereitungsanlage nach Anspruch 10 oder Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Elektrolysezel- Ie einer doppelstufigen Umkehrosmoseeinrichtung vorgeschaltet ist.
13. Wasseraufbereitungsanlage nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Elektrolysezelle eine Sequenz aus mono- und/oder bipolare Membranen aufweist.
14. Wasseraufbereitungsanlage nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Elektrolysezelle als Wickelzelle ausgebildet ist.
15. Verwendung einer Elektrolysezelle zur Aufbereitung von Wasser, insbesondere in einem Verfahren oder in einer Wasseraufbereitungsanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
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