WO2012041357A1 - Method for producing a disinfectant based on hypochlorous acid or hypochlorite by electrochemical activation of a chloride solution - Google Patents

Method for producing a disinfectant based on hypochlorous acid or hypochlorite by electrochemical activation of a chloride solution Download PDF

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WO2012041357A1
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Achim Wenner
Benjamin Pfeiffer
Frank Kandler
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Actides Berlin Gmbh
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Definitions

  • the invention relates to a method for producing a hypochlorous acid (H0C1) and / or hypochlorite (0C1 ⁇ ) containing disinfectant by electrochemical activation of a dilute acid / chloride solution by adding a chloride solution to water and the thus obtained dilute water / chloride solution in the anode compartment of a Elektrolysereaktors having at least one cathode compartment with a cathode and at least one, of which by a membrane spatially separated anode compartment with an anode, is applied by applying an electrical voltage to the electrodes with an electric current to the chloride at least partially in hypochlorous acid and / or to transfer hypochlorite.
  • H0C1 hypochlorous acid
  • hypochlorite (0C1 ⁇ ⁇ ) containing disinfectant by electrochemical activation of a dilute acid / chloride solution by adding a chloride solution to water and the thus obtained dilute water / chloride solution in the anode compartment of a Elektroly
  • the method of electrochemical activation is known in particular for the disinfection of water.
  • a dilute solution of a chloride especially in the form of a neutral salt, such as sodium chloride (NaCl) or common salt, potassium chloride (KCl) or the like, in an electrolytic reactor by applying a voltage at the electrodes under anodic oxidation of a portion of the chloride ions primarily in hypochlorous .
  • a neutral salt such as sodium chloride (NaCl) or common salt, potassium chloride (KCl) or the like
  • H0C1 and / or their salts (hypochlorites, CIO ") converted electrolytic reactor includes a cathode chamber with one or more cathodes and an anode compartment comprising one or more anodes, wherein the anode chamber and the cathode chamber by means of an electrically conducting - in particular a for ion conductive - diaphragm or by means of a membrane with the properties mentioned spatially separated
  • CO FIRM ⁇ T10 COPY are to prevent mixing of the water / chloride solution in both rooms. While in electrolysis usually a substantially complete conversion of the reactants used - in the case of the use of a sodium chloride solution to chlorine gas (Cl 2 ) and sodium hydroxide (NaOH), in the case of the use of a potassium chloride solution to chlorine gas and potassium hydroxide (KOH) - is sought with the use of highly concentrated electrolyte solutions, primarily to maximize the chlorine gas yield, the water / chloride solution in contrast to the electrochemical activation in much diluted form, usually in a concentration of not more than 20 g / 1, preferably not more than 10 g / 1, the electrolysis reactor and reacted to a low contrast predominantly to HOC1 and / or OC1 " reacted, in particular, the redox potential of the mixed with the chloride as electrolyte water is increased, whereby a very effective disinfecting effect is obtained Reaction conditions, such as pressure, temperature, electrode st rome,
  • electrochemical activation is in particular the good health and environmental compatibility of the substances produced during the electrochemical activation in their respective concentrations, which for example also according to the German Drinking Water Ordinance (TrinkwV) are permitted.
  • electrolysis oxidation also occurs at the anode (ie at the positively charged electrode) during electrochemical activation, while at the cathode (ie at the negatively charged electrode) there is oxidation takes place.
  • a diluted neutral salt solution such as a sodium chloride solution
  • hydrogen is generated at the cathode according to the following reaction equation (1):
  • secondary substances can be used to generate small amounts of other substances which are also known to be effective with respect to the disinfection of water. These are in particular small amounts of hydrogen peroxide (H 2 0 2 , reaction equation (5)) and ozone (0 3 , reaction equation (6)).
  • a disadvantage of the method of electrochemical activation has hitherto been in many cases the lack of quality control, as required for a sufficient disinfection of the water, mostly empirically determined process parameters, such as amount of added electrolyte or chloride solution, adjusted electrode voltage or -ström and the like, not only of the electrolysis reactor used, such as its reaction volume, its anode and cathode surface, the residence time of the water to be disinfected in the reactor, etc., but in particular the composition of the respective water to be disinfected, in particular its conductivity and its redox potential, depend. In this case, for a given water - mostly empirically - determined process parameters, which lead to a satisfactory disinfecting effect in this water, lead in another water to a very poor disinfecting effect.
  • a generic method for producing a disinfectant by means of electrochemical activation is known for example from WO 2007/093395 A2, which is hereby expressly made the subject of the present disclosure.
  • the cited document proposes to control the pH of the anodically obtained disinfectant ("Anolyte") to a value between 2.5 and 3.5.
  • hypochlorous acid reacts with the above-mentioned disadvantages to elemental chlorine (Cl 2 ), while at a pH above about 3.5, the redox potential of the electrochemically activated solution decreases and the hypochlorous acid dissociated from about a pH of 6 with elimination of their proton to hypochlorite, which is also disinfectant effective, but about 1 to 2 orders of magnitude lower than the hypochlorous acid itself.
  • this is from WO 2007/093395 A2 a very effective and reproducible method for generating a generic disinfectant means.
  • the water used for the electrochemical activation - or the dilute water / chloride solution - has the highest possible purity, in particular should be substantially free of other halide ions than chloride ions, ie those from the group bromide (Br ⁇ ), fluoride (F ⁇ ) and iodide (I " ), but also oxohalide ions, such as hypochlorite (CIO “ ), chlorite (C10 2 " ), Chlorate (C10 3 ⁇ ),
  • Perchlorate C10 4 ⁇
  • bromate Br0 3 ⁇
  • it should be substantially free of heavy metals, in particular those from the group antimony (Sb), arsenic (As), lead (Pb), cadmium (Cd) , Chromium (Cr), nickel (Ni), mercury (Hg), selenium (Se), iron (Fe) and manganese (Mn).
  • heavy metals in particular those from the group antimony (Sb), arsenic (As), lead (Pb), cadmium (Cd) , Chromium (Cr), nickel (Ni), mercury (Hg), selenium (Se), iron (Fe) and manganese (Mn).
  • WO 2007/093395 A2 proposes that the specific electrical conductivity of the water to be activated electrochemically before adding the chloride solution to a Value of at most 350 pS / cm or preferably lower, which increases the reproducibility of the method with respect to the disinfecting and depot effect of the disinfectant produced, virtually independent of the water used.
  • Such a "standardization" of the raw water used not only allows a particularly simple adjustment of the process parameters, such as electrode voltage or flow, residence time of the dilute water / chloride solution in the electrolysis reactor, amount of metered chloride solution, etc., but also makes a simple way Use of waters of practically any composition without any impairment of the resulting disinfectant possible, whereby a highly reliable and reproducible quality of the disinfectant is ensured.
  • ions which may be present in the water used for the electrochemical activation and which are converted into harmful substances during the electrochemical activation, even if only in low concentrations, can be eliminated as far as possible.
  • bromide ions may be mentioned, which - as in the case of ozonation which is frequently carried out in drinking water treatment - can be oxidized to bromate, which has a carcinogenic effect in higher concentrations.
  • the content of divalent cations such as the hardness formers calcium and magnesium, reduce, which can enforce the anode compartment of the cathode compartment separating membrane relatively easily, which is why the water used can also be additionally softened to the To increase the life of the electrolysis reactor and to extend its maintenance intervals.
  • EP 2 191 721 A1 proposes, in a generic method, adding to the water / chloride solution before entry into the electrolysis reactor a proton acceptor in the form of a buffer or a base.
  • a significantly increased yield of free chlorine in the form of the desired products HOCl or OCl can be ensured because the proton acceptor has a stoichiometric amount of anodically formed H 3 0 + ions according to the above reaction equation (2) can "catch" and thus the pH can be kept within the desired range of above about 2.5, even in the case of relatively high conversions of the added chloride solution, in which the equilibrium according to the above reaction equation (4) corresponds to the elemental chlorine (Cl 2 ) in the direction of hypochlorous acid (HOC1) or hypochlorite (0C1 ⁇ ) is shifted.
  • US Pat. No. 6,632,347 B1 likewise describes a generic process for producing a disinfectant which, for adjusting the pH of the chloride solution added to the electrolysis reactor, recirculates a portion of the solution containing electrochemical activation in the cathode compartment into the anode compartment of the reactor provides to compensate for either variations in the pH of the raw water used in each case or to increase the pH of the finished, anodically produced disinfectant as needed, while at the same time the proportion of accumulating catholyte should be reduced.
  • the invention is therefore based on the object to develop a method of the type mentioned in that at least as far as possible avoid the aforementioned disadvantages of the chloride consumption can be reduced in a simple and cost-effective manner, without affecting the yield of hypochlorous acid or hypochlorite.
  • this object is achieved in a method of the type mentioned in that the water / chloride solution is fed only to the anode compartment of the electrolysis reactor, while the cathode compartment of the electrolysis Is fed lysereaktors with not mixed with chloride ions water.
  • the embodiment of the invention thus makes it possible to reduce the consumption of chloride solution, which is usually added to the water used, in the form of an alkali metal chloride solution, e.g. a potassium chloride or, in particular, a sodium chloride solution is added to reduce about half, whereby the electrochemical reaction in the anode compartment, where the hypochlorous acid-based and / or hypochlorite-based disinfectant is produced, is not impaired.
  • an alkali metal chloride solution e.g. a potassium chloride or, in particular, a sodium chloride solution
  • the invention also offers in particular the possibility of using demineralized and / or distilled water or generally a "standardized" water for the water / chloride solution charged to the electrolysis reactor, wherein an advantageous embodiment of the method provides that the water used softens and / or demineralized. In this way, the reproducibility of the method with respect to the disinfecting and depot effect of the disinfectant produced is increased, virtually independent of the water used.
  • such "standardization" of the raw water used also not only ensures a particularly simple adjustment of the process parameters, such as electrode voltage or flow, residence time of the dilute water / chloride solution in the electrolysis reactor, amount of metered chloride solution, etc., but makes It also makes it possible to easily use waters of practically any composition without any impairment of the disinfectant obtained, thereby providing a highly reliable and reproducible zable quality of the disinfectant is guaranteed.
  • the content of divalent cations such as primarily the hardness formers calcium and magnesium, reduce, which can enforce the anode space of the cathode space separating membrane relatively easily.
  • the anode compartment of the electrolysis reactor with the water / chloride solution of softened and / or demineralized water and the cathode compartment of the electrolysis reactor with softened and / or demineralized water are fed, i. both electrochemical half-cells of the electrolysis reactor are fed with softened or demineralized water.
  • both electrochemical half-cells of the electrolysis reactor are fed with softened or demineralized water.
  • a cation-permeable membrane in particular a cation exchange membrane
  • a polymer electrolyte membrane commercially available under the trade name "Nafion TM" may be used in the cathode compartment of the electrolytic reactor.
  • Such a membrane is largely permeable to monovalent cations, so that the cations from the Anode space added water / chloride solution, such as potassium or in particular sodium ions, the membrane can pass from the anode compartment in the cathode compartment and provide in the cathode compartment for improved conductivity and consequently for a faster electrochemical reaction.
  • water / chloride solution such as potassium or in particular sodium ions
  • the cathode space of the electrolysis reactor is fed with a lower volume flow of water than the volume flow of dilute water / chloride solution through the anode space of the electrolysis reactor.
  • a further advantage of such a procedure, in particular when using softened and / or demineralized water, is that the conductivity caused by electrochemically generated hydroxide ions (OH.sup.- 1 ) and preferably also by the membrane permeating alkali metal ions (K.sup. + , Na.sup. + ) In the cathode compartment lower dilution is increased so that the anode space in the going electrochemical conversion of the chloride ions is not inhibited.
  • the volume flow through the anode chamber of the electrolysis reactor may in this case preferably amount to at least twice, in particular at least three times, preferably at least four times and for example also about ten times or more, the volume flow through the cathode space of the electrolysis reactor.
  • inventive method contains a part of the volume flow of the exiting from the cathode compartment of the electrolysis reactor, hydroxide ions (OH-) water in the anode chamber of the electrolysis reactor or in the added this water / chloride solution.
  • OH- hydroxide ions
  • the invention offers the additional advantage that the partial recirculation of the cathodic - largely chloride-free - solution in the anode compartment of the electrolysis reactor the The chlorine content there does not change or remains constant, so that the control or regulation technically adjusted as a function of the chloride content parameters
  • Electrode current and voltage do not need to be changed.
  • the conductivity of the water / chloride solution in the anode space is thereby at most increased to an extent which likewise does not require any control or regulatory changes.
  • the invention also offers the possibility of adding a - also preferably substantially chloride-free - buffer, as is also known from EP 1 292 721 AI.
  • the hydrogen generated in the cathode compartment of the electrolysis reactor in the emerging from the cathode compartment water should preferably be removed before, not to according to the above reaction equation (8), a disintegration of the anodically produced, disinfectively active products HOC1 and / or to cause OC1 ".
  • the removal of hydrogen for example, by means of conventional outgassing
  • the pH of the disinfectant produced in the anode compartment of the electrolysis reactor to a value between 2.5 and 6, in particular between 2.5 and 5, preferably between 2.5 and 4, in particular, a pH range of from about 2.5 to about 3.5, or from about 2.7 to about 3.5, may be favorable to provide for substantially complete presence of the free chlorine in the form of hypochlorous Acid at a high redox potential of the disinfectant, eg in the range of about 1340 mV.
  • the used softened or demineralized water has a hardness between 0 and 4 dH, in particular between 0 and 2 dH.
  • hardness is in this context the concentration of divalent alkaline earth metal ions, ie calcium (Ca), magnesium (Mg), strontium (Sr) and barium (Ba), the latter two in practice usually play no role.
  • l ° dH corresponds to a concentration of alkaline earth metal ions of 0.179 mmol / l, 2 ° dH of a concentration of 0.358 mmol / 1 etc.
  • Such an adjustment of the hardness of the water used is expedient in particular for relatively hard, calcium- and / or magnesium-containing waters To increase the life of the electrolysis reactor or to extend its maintenance intervals.
  • an advantageous embodiment of the inventive method provides that the specific electrical conductivity of the water used to a value of at most 350 yS / cm, in particular at most 150 yS / cm, preferably at most 100 S / cm, such as at most about 50 yS
  • the method also allows advantageous use of standardized demineralized or deionized water, so-called demineralized water or "demineralised water,” with a specific electrical conductivity of less than 25 yS / cm.
  • the chloride concentration, in particular in the form of sodium and / or potassium chloride, the dilute water / chloride solution added to the anode compartment of the electrolysis reactor can advantageously be at a value of at most 20 g / l, in particular between 0.1 and 10 g / l, preferably be controlled between 0.1 and 5 g / 1.
  • the method according to the invention finally gives the possibility, as required, of a disinfectant having a free chlorine content in the form of HOC1 and / or OCl " in the range of about 20 mg / 1 to produce in the g / l range.
  • FIG. 1 is a schematic view of an electrolytic reactor including the charged starting materials and the products obtained, which can be used in a method according to the invention for producing a disinfectant based on hypochlorous acid and / or hypochlorite by electrochemical activation of a chloride solution; and a schematic process flow diagram of a process for preparing a hypochlorous acid-based hypochlorite-based disinfectant by electrochemical activation of a chloride solution using an electrolytic reactor shown in FIG. 1.
  • FIG. 2 suitable for continuous or semi-continuous implementation of a method according to the invention for Desinfek tion of water by electrochemical activation (ECA) branches from a main water line 1 via a Abzweiglei device 2 from water, which as raw water for the electrochemical mixing activation is used.
  • the main water line may for example be part of a public water supply system.
  • the branch line 2 is connected to a valve 3, in particular in the form of a control valve, and preferably before with a valve 3 upstream or downstream Filter F, in particular in the form of a fine filter with a hole width of, for example, about 80 to 100 ⁇ , equipped and opens downstream of the valve 3 and the filter F in a softener 4, which is equipped for example with a suitable ion exchange resin and contained in the water divalent hardener calcium and magnesium ions replaced by monovalent ions, such as sodium ions.
  • the softener 4 keeps the hardness of the water, for example, at a value of at most 2 ° dH (corresponding to a concentration of alkaline earth metal ions of 0.358 mmol / l), preferably at most l ° dH (corresponding to a concentration of alkaline earth metal ions of 0.179 mmol / l).
  • the effluent 5a of the water softener 4 opens into a desalination device 6 for reducing the specific electrical or ionic conductivity of the water, which may be formed in particular by a membrane system, such as a reverse osmosis plant or by a micro, nano or ultrafiltration plant and the specific electrical conductivity of the water, for example, to a value of at most about 100 S / cm or in particular also holds at most about 25 yS / cm, so that it is in the discharged via a line 7a from the desalting 6 water to substantially demineralized, so-called " VE water "is, which is thus standardized regardless of the water used in each case.
  • a membrane system such as a reverse osmosis plant or by a micro, nano or ultrafiltration plant
  • the specific electrical conductivity of the water for example, to a value of at most about 100 S / cm or in particular also holds at most about 25 yS / cm, so that it is in the discharged via a line 7a from the
  • a conductivity measuring device such as a conductivity cell, electrode or the like, may be arranged to monitor compliance with the particular desired value of the specific electrical conductivity of the water.
  • a discharge line 5b, 7b can lead from the softening plant 4 and / or from the desalting device 6, which discharge in the present embodiment into a common discharge line 8, via which the wastewater from the plants 4, 6 can be discarded.
  • measures may be taken to lower the carbon content of the water.
  • a UV oxidation system (not shown) which has the total organic carbon content (TOC) and / or the chemical oxygen demand (COD) to a value of, for example, at most about 25 ppb, in particular of at most about 20 ppb, or to a value of, for example, at most about 7 mg 0 2 / l, in particular of, for example, at most about 5 mg 0 2 / l, lowers.
  • TOC total organic carbon content
  • COOD chemical oxygen demand
  • the outlet 7a of the membrane unit 6 leads into a mixer Mi, which opens into an electrolysis reactor 10 explained in greater detail below with reference to FIG.
  • the branch line 2 is thus controllable by means of the control valve 3, softened and deionized part of the funded in the main water line 1 water in the electrolysis reactor 10, for example, a partial flow of funded in the main water line 1 water in the order of 1/200 on the Branch line 2 is branched off.
  • the mixer i is on the inlet side on the one hand - as already mentioned - with the outlet 7a of the membrane unit 6, on the other hand with a reservoir 11 for receiving a chloride solution, in particular in the form of a substantially saturated alkali metal chloride solution - in the present case, for example, a substantially saturated sodium chloride solution - , in which are mixed as homogeneously as possible in the mixer i and pass through a common, drain-side line 14 of the mixer Mi in the anode compartment 10a of the electrolysis reactor 10.
  • a chloride solution in particular in the form of a substantially saturated alkali metal chloride solution - in the present case, for example, a substantially saturated sodium chloride solution - , in which are mixed as homogeneously as possible in the mixer i and pass through a common, drain-side line 14 of the mixer Mi in the anode compartment 10a of the electrolysis reactor 10.
  • the line 12 leading from the reservoir 11 into the mixer Mi is further equipped with a metering pump 13 to add to the softened and desalinated water a defined amount of sodium chloride solution, eg in the range of about 1 to about 10 g / 1 NaCl.
  • the cathode chamber 10b of the electrolysis reactor 10 is fed directly with the softened and desalinated water leaving the membrane system 6, which takes place via a line 9 which branches off the outlet 7a of the membrane installation 6 upstream of the mixer Miaus.
  • the volumetric flow of softened and demineralized water supplied to the electrolysis reactor 10 can be set lower, for example by a factor of about 10, than the volume flow of softened and demineralized sodium chloride solution fed to the anode compartment 10a of the electrolysis reactor 10 via the conduit 14 a provided in the line 9 throttle valve 9a or by any other means for flow control and / or by appropriate (smaller) dimensioning of the cathode chamber 10b of the electrolysis reactor 10 can be done.
  • the electrolytic reactor 10 includes an anode 101, which is formed coated by a with catalytically active ruthenium dioxide (Ru0 2) when PRESENT embodiment, for example, carrier of titanium, to which the positive terminal 101a of an unspecified represented voltage source can be connected.
  • Ru0 2 catalytically active ruthenium dioxide
  • the electrolytic reactor 10 further includes a cathode 102 which is conveniently made of stainless steel or similar materials such as nickel (Ni), platinum (Pt), etc.
  • the cathode 102 is connectable to the negative pole 102a of the voltage source not further disclosed.
  • the membrane 104 prevents a mixing of the anode chamber 10a and the cathode. denraum 10b liquid and allows, however, a current flow, which is not a significant resistance in particular for the migration of cations.
  • the membrane 104 is formed in the present embodiment, for example in the form of an electrically or ionically conductive, but substantially liquid-tight polymer electrolyte membrane.
  • the electrolysis reactor 10 further has two inlets 14, 9 (see also Fig. 2), via which on the one hand from the
  • the electrolysis reactor 10 also has two outlets 103a, 103b, via which the water / chloride solution or the water after the electrochemical activation from the anode chamber 10a or from the Cathode space 10b of the reactor 10 can be discharged.
  • outlet 103a is for discharging the electrochemically activated solution containing hypochlorite generated from the anode space 10a of the reactor 10, ie for discharging the so-called "anolyte”
  • the outlet 103b serves to discharge the electrochemically activated water with the hydroxide ions from the cathode space 10b of the reactor 10 - ie for discharging the so-called "catholyte”.
  • the volume flow through the cathode space 10b of the reactor 10 can be selected to be smaller than that of the anode space 10a in order to minimize the amount of catholyte which is to be disposed of, at least for the most part, and also for good conductivity of the water to provide the cathode compartment 10b.
  • the cathodically produced hydroxide ions (OH " ) and, on the other hand, the sodium ions (Na + ), which can permeate the membrane 104 out of the anode space provide the anode space 10a of the electrolysis reactor 10, for example with a throughput of 60 to
  • the electrolysis reactor 10 always runs at full load, where it can be switched off as needed and peak loads can be intercepted via a storage tank for the electrochemically activated, anodic solution explained in more detail below. As can also be seen from FIGS.
  • the outlet 103b from the cathode compartment ends 10b of electrolytic reactor 10 for this purpose initially in a gas separator 15 from which the exhaust gas , in particular hydrogen (H 2 ), is discharged via an optionally provided exhaust pipe 16, while the catholyte itself, ie the cathode compartment of the electrolysis reactor 10 discharged basic water, via a line 17, for example, in the sewer K a municipal sewage system, is discharged.
  • exhaust line 16 may be fed with dilution air that is equipped with an explosion-proof low-pressure blower (not shown) to meet the safety requirements with respect to gaseous hydrogen.
  • the outlet 103a from the anode chamber 10a of the electrolysis reactor 10 opens via eg a control valve (not shown) and a line 20 into a storage tank 21, from which the anolyte or the disinfectant produced via a line 22 of the main water line 1 for the purpose of disinfection of the water carried herein.
  • a metering pump 23 which metered in the line 22 guided disinfectant via a mixer M 2 of the main water line 1.
  • the metering pump 23 may in particular be operated depending on the volume flow of water determined by a flow meter 24 arranged in the main water line 1 in order to always add the required amount of disinfectant to the water.
  • sensors 25 may also be provided in the conduit 20 connecting the anode compartment 10a of the reactor 10 to the storage tank 21. be seen.
  • the measured values obtained can, of course, also be used in the control parameters, such as electrode current and voltage, amount of added chloride solution, volume flows through or residence times in the electrolysis reactor 10, etc.
  • the device according to FIG. 2 further comprises a control (not shown in the drawing), as known for example from the prior art mentioned in WO 2007/093395 A2 and EP 2 191 72 A1 as such.
  • the disinfectant in the form of the anodically produced electrochemically activated solution (anolyte), which has been prepared in the manner described above from demineralised water as raw water, has e.g. at a pH in the range of 3.0 and a redox potential in the range of 1340 mV (vs. SHE vs. vs NHE, standard and / or normal hydrogen electrode), a free chlorine concentration in the range of about 25 mg / 1 to about 1000 mg / l, corresponding to a concentration of particularly effective hypochlorous acid (HC10) in the range of about 18.5 mg / l to about 706 mg / l.
  • anodically produced electrochemically activated solution anolyte
  • HC10 particularly effective hypochlorous acid

Abstract

A method is proposed for producing a disinfectant containing hypochlorous acid (HOC1) and/or hypochlorite (OC1-)by electrochemical activation of a dilute water/chloride solution, in that water is added to a chloride solution and the dilute water/chloride solution obtained in this manner is exposed to an electric current in the anode chamber of an electrolysis reactor which comprises at least one cathode chamber having a cathode and at least one anode chamber, which is spatially separated therefrom by a membrane, and comprises an anode, by applying an electric voltage to the electrodes, in order to convert the chloride at least in part to hypochlorous acid and/or hypochlorite. In order to decrease the consumption of chloride, the invention provides that the water/chloride solution is only delivered to the anode chamber of the electrolysis reactor, whereas the cathode chamber of the electrolysis reactor is fed with water which has not been admixed with chloride ions.

Description

Verfahren zur Herstellung eines Desinfektionsmittels auf der Basis von hypochloriger Säure oder Hypochlorit durch elektrochemische Aktivierung einer Chloridlösung  Process for the preparation of a disinfectant based on hypochlorous acid or hypochlorite by electrochemical activation of a chloride solution
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines hypochlorige Säure (H0C1) und/oder Hypochlorit (0C1~) enthaltenden Desinfektionsmittels durch elektrochemische Aktivierung einer verdünnten asser-/Chloridlösung, indem Wasser eine Chloridlösung zugesetzt und die solchermaßen erhaltene verdünnte Wasser-/Chloridlösung im Anodenraum eines Elektrolysereaktors, welcher wenigstens einen Kathodenraum mit einer Kathode und wenigstens einen, hiervon durch eine Membran räumlich getrennten Anodenraum mit einer Anode aufweist, durch Anlegen einer elektrischen Spannung an die Elektroden mit einem elektrischen Strom beaufschlagt wird, um das Chlorid zumindest teilweise in hypochlorige Säure und/oder Hypochlorit zu überführen. The invention relates to a method for producing a hypochlorous acid (H0C1) and / or hypochlorite (0C1 ~ ) containing disinfectant by electrochemical activation of a dilute acid / chloride solution by adding a chloride solution to water and the thus obtained dilute water / chloride solution in the anode compartment of a Elektrolysereaktors having at least one cathode compartment with a cathode and at least one, of which by a membrane spatially separated anode compartment with an anode, is applied by applying an electrical voltage to the electrodes with an electric current to the chloride at least partially in hypochlorous acid and / or to transfer hypochlorite.
Das Verfahren der elektrochemischen Aktivierung ist insbesondere zur Desinfektion von Wasser bekannt. Hierbei wird eine verdünnte Lösung eines Chlorids, insbesondere in Form eines Neutralsalzes, wie Natriumchlorid (NaCl) bzw. Kochsalz, Kaliumchlorid (KCl) oder dergleichen, in einem Elektrolysereaktor durch Anlegen einer Spannung an dessen Elektroden unter anodischer Oxidation eines Teils der Chloridionen vornehmlich in hypochlorige Säure (H0C1) und/oder deren Salze (Hypochlorite, CIO") umgewandelt. Der Elektrolysereaktor weist einen Kathodenraum mit einer oder mehreren Kathoden sowie einen Anodenraum mit einer oder mehreren Anoden auf, wobei der Anodenraum und der Kathodenraum mittels eines elektrisch leitfähigen - insbesondere eines für Ionen leitfähigen - Diaphragmas oder mittels einer Membran mit den genannten Eigenschaften räumlich voneinander getrennt The method of electrochemical activation is known in particular for the disinfection of water. Here, a dilute solution of a chloride, especially in the form of a neutral salt, such as sodium chloride (NaCl) or common salt, potassium chloride (KCl) or the like, in an electrolytic reactor by applying a voltage at the electrodes under anodic oxidation of a portion of the chloride ions primarily in hypochlorous . acid (H0C1) and / or their salts (hypochlorites, CIO ") converted electrolytic reactor includes a cathode chamber with one or more cathodes and an anode compartment comprising one or more anodes, wherein the anode chamber and the cathode chamber by means of an electrically conducting - in particular a for ion conductive - diaphragm or by means of a membrane with the properties mentioned spatially separated
CO FIRMÄT10 COPY sind, um eine Vermischung der in beiden Räumen befindlichen Wasser-/Chloridlösung zu verhindern. Während bei der Elektrolyse in der Regel ein im wesentlichen vollständiger Umsatz der eingesetzten Edukte - im Falle des Einsatzes einer Natriumchloridlösung zu Chlorgas (Cl2) und Natronlauge (Na- OH) , im Falle des Einsatzes einer Kaliumchloridlösung zu Chlorgas und Kalilauge (KOH) - unter Einsatz hoch konzentrierter Elektrolytlösungen angestrebt wird, um vornehmlich die Chlorgasausbeute zu maximieren, wird die Wasser-/Chlo- ridlösung bei der elektrochemischen Aktivierung demgegenüber in erheblich verdünnterer Form, in der Regel in einer Konzentration von maximal 20 g/1, vorzugsweise maximal 10 g/1, dem Elektrolysereaktor aufgegeben und zu einem demgegenüber geringen Anteil vornehmlich zu HOC1 und/oder OC1" umgesetzt, wobei insbesondere auch das Redoxpotential des mit dem Chlorid als Elektrolyt versetzten Wassers erhöht wird, wodurch eine sehr effektive desinfizierende Wirkung erhalten wird. Entsprechend werden die Reaktionsbedingungen, wie Druck, Temperatur, Elektrodenstrom etc., bei der elektrochemischen Aktivierung im allgemeinen moderater gewählt als bei der Chlor-Alkalielektrolyse. Von Vorteil bei einer solchen elektrochemischen Behandlung, welche im Rahmen der vorliegenden Anmeldung als "elektrochemische Aktivierung" bezeichnet wird, ist insbesondere die gute Gesund- heits- und Umweltverträglichkeit der anläßlich der elektrochemischen Aktivierung erzeugten Stoffe in deren jeweiligen Konzentrationen, welche beispielsweise auch gemäß der deutschen Trinkwasserverordnung (TrinkwV) zugelassen sind. Wie bei der Elektrolyse findet auch bei der elektrochemischen Aktivierung an der Anode (d.h. an der positiv geladenen Elektrode) eine Oxidation statt, während an der Kathode (d.h. an der negativ geladenen Elektrode) eine Reduktion stattfindet. Beim Einsatz einer verdünnten Neutralsalzlösung, wie einer Natriumchloridlösung, wird an der Kathode gemäß der nachfolgenden Reaktionsgleichung (1) vornehmlich Wasserstoff erzeugt: CO FIRMÄT10 COPY are to prevent mixing of the water / chloride solution in both rooms. While in electrolysis usually a substantially complete conversion of the reactants used - in the case of the use of a sodium chloride solution to chlorine gas (Cl 2 ) and sodium hydroxide (NaOH), in the case of the use of a potassium chloride solution to chlorine gas and potassium hydroxide (KOH) - is sought with the use of highly concentrated electrolyte solutions, primarily to maximize the chlorine gas yield, the water / chloride solution in contrast to the electrochemical activation in much diluted form, usually in a concentration of not more than 20 g / 1, preferably not more than 10 g / 1, the electrolysis reactor and reacted to a low contrast predominantly to HOC1 and / or OC1 " reacted, in particular, the redox potential of the mixed with the chloride as electrolyte water is increased, whereby a very effective disinfecting effect is obtained Reaction conditions, such as pressure, temperature, electrode st rome, etc., in the electrochemical activation generally chosen to be more moderate than in the case of chlorine-alkali electrolysis. An advantage of such an electrochemical treatment, which is referred to in the context of the present application as "electrochemical activation", is in particular the good health and environmental compatibility of the substances produced during the electrochemical activation in their respective concentrations, which for example also according to the German Drinking Water Ordinance (TrinkwV) are permitted. As with electrolysis, oxidation also occurs at the anode (ie at the positively charged electrode) during electrochemical activation, while at the cathode (ie at the negatively charged electrode) there is oxidation takes place. When using a diluted neutral salt solution, such as a sodium chloride solution, primarily hydrogen is generated at the cathode according to the following reaction equation (1):
2 H20 + 2 e" > H2 + 2 OH welcher nach Ausgasen aus der Lösung z.B. aus dem Kathode räum des Reaktors abgeführt wird. Darüber hinaus wird die verdünnte Wasser-/Chloridlösung in dem Kathodenraum des Elektrolysereaktors durch die Bildung von Hydroxidionen alkalisch . 2 H 2 O + 2 e " > H 2 + 2 OH which, after outgassing from the solution, is removed from the cathode of the reactor, for example ,
An der Anode werden gemäß den nachfolgenden Reaktionsglei- chungen (2) und (3) insbesondere die chemischen Oxidations- mittel Sauerstoff (02) und Chlor (Cl2) erzeugt, welche bekanntermaßen hinsichtlich einer Desinfektion von Wasser wirksam sind. Ferner ist zu beachten, daß infolge der Bildung von H30+-Ionen die verdünnte Wasser-/Chloridlösung in dem Anodenraum des Elektrolysereaktors sauer wird: At the anode, according to the following reaction equations (2) and (3), in particular the chemical oxidants oxygen (0 2 ) and chlorine (Cl 2 ) are produced, which are known to be effective with respect to disinfecting water. It should also be noted that due to the formation of H 3 O + ions, the dilute water / chloride solution in the anode compartment of the electrolysis reactor becomes acidic:
6 H20 > 02 + 4 H30+ + 4 e (2) ,6 H 2 0> 0 2 + 4 H 3 0 + + 4 e (2),
2 Cl" > Cl2 + 2 e" (3) . Chlor wiederum dissoziiert in Wasser entsprechend der nachfolgenden Gleichgewichtsreaktion (4) in Hypochloritionen (0C1~) und Chloridionen (Cl~) , welche sich in Abhängigkeit des pH-Wertes wiederum mit einem geeigneten Kation, z.B. Na+ aus dem Elektrolyt, oder mit einem Proton bzw. einem H30+-Ion zu dem entsprechenden (Natrium) salz bzw. zu der entsprechenden Säure, d.h. zu hypochloriger Säure (HC10) und Chlorwasserstoff bzw. verdünnter Salzsäure (HCl) reagieren können: Cl2 + 3 H20 <===> 2 H30+ + OC1 (4) . 2 Cl " > Cl 2 + 2 e " (3). Chlorine in turn dissociates in water according to the following equilibrium reaction (4) in Hypochloritionen (0C1 ~ ) and chloride ions (Cl ~ ), which in turn depending on the pH with a suitable cation, eg Na + from the electrolyte, or with a proton or a H 3 0 + ion to the corresponding (sodium) salt or to the corresponding acid, ie hypochlorous acid (HC 10) and hydrogen chloride or dilute hydrochloric acid (HCl) can react: Cl 2 + 3 H 2 O <===> 2 H 3 O + + OC1 (4).
Ferner können aus den vorgenannten, an der Anode gebildeten Stoffen durch Sekundärreaktionen in geringem Umfang weitere Stoffe erzeugt werden, welche ebenfalls bekanntermaßen im Hinblick auf eine Desinfektion von Wasser wirksam sind. Hierbei handelt es sich insbesondere um geringe Mengen an Wasserstoffperoxid (H202, Reaktionsgleichung (5)) und Ozon (03, Reaktionsgleichung (6)). Furthermore, from the abovementioned substances formed at the anode, secondary substances can be used to generate small amounts of other substances which are also known to be effective with respect to the disinfection of water. These are in particular small amounts of hydrogen peroxide (H 2 0 2 , reaction equation (5)) and ozone (0 3 , reaction equation (6)).
4 H20 > H202 + 2 H30+ + 2 e (5) ,4 H 2 0> H 2 0 2 + 2 H 3 0 + + 2 e (5),
02 + 3 H20 > 03 + 2 H30+ + 2 e (6) , 0 2 + 3 H 2 0> 0 3 + 2 H 3 0 + + 2 e (6),
Nachteilig bei dem Verfahren der elektrochemischen Aktivierung war bislang in vielen Fällen die mangelnde Qualitätskontrolle, da die für eine hinreichende Desinfektion des Wassers erforderlichen, meist empirisch ermittelten Verfahrensparameter, wie Menge der zugesetzten Elektrolyt- bzw. Chloridlösung, eingestellter Elektrodenspannung bzw. -ström und dergleichen, nicht nur von dem eingesetzten Elektrolysereaktor, wie dessen Reaktionsvolumen, dessen Anoden- und Kathodenfläche, der Verweilzeit des zu desinfizierenden Wassers in dem Reaktor etc., sondern insbesondere auch von der Zusammensetzung des jeweiligen, zu desinfizierenden Wassers, wie insbesondere dessen Leitfähigkeit und dessen Redoxpotential, abhängen. Dabei können für ein bestimmtes Wasser - zumeist empirisch - ermittelte Verfahrensparameter, welche bei diesem Wasser zu einer zufriedenstellenden Desinfektionswirkung führen, bei einem anderen Wasser zu einer nur sehr mangelhaften Desinfektionswirkung führen. Ferner hat sich insbesondere gezeigt, daß die mittels elektrochemischer Aktivierung gemäß dem Stand der Technik her- gestellten Lösungen in der Regel - teils hochgradig - mit unerwünschten Produkten verunreinigt sind, wobei häufig gemäß der obigen Reaktionsgleichung (3) praktisch ausschließlich Chlorgas (Cl2) erzeugt wird, welches bei herkömmlichen Elektrolyseprozessen zwar erwünscht, bei der elektrochemischen Aktivierung zur Erzeugung eines Desinfektionsmittels jedoch gerade nicht erwünscht ist, da es einen stechenden Geruch der elektrochemisch aktivierten Lösung verursacht sowie aufgrund seiner Flüchtigkeit aus dieser relativ schnell ausgast, so daß die Lebensdauer eines solchermaßen erzeugten Desinfektionsmittels sehr begrenzt ist. In diesem Zusammenhang sei auch erwähnt, daß sich grundsätzlich aufgrund der in Abhängigkeit der vorgenannten Parameter stark schwankenden Zusammensetzung der elektrochemisch aktivier- ten Lösung keine zuverlässigen Angaben hinsichtlich derA disadvantage of the method of electrochemical activation has hitherto been in many cases the lack of quality control, as required for a sufficient disinfection of the water, mostly empirically determined process parameters, such as amount of added electrolyte or chloride solution, adjusted electrode voltage or -ström and the like, not only of the electrolysis reactor used, such as its reaction volume, its anode and cathode surface, the residence time of the water to be disinfected in the reactor, etc., but in particular the composition of the respective water to be disinfected, in particular its conductivity and its redox potential, depend. In this case, for a given water - mostly empirically - determined process parameters, which lead to a satisfactory disinfecting effect in this water, lead in another water to a very poor disinfecting effect. Furthermore, it has been found, in particular, that the electrodes produced by means of electrochemical activation according to the prior art solutions are usually contaminated - sometimes highly - with undesirable products, which is often generated according to the above reaction equation (3) almost exclusively chlorine gas (Cl 2 ), which is desirable in conventional electrolysis processes, however, in the electrochemical activation to produce a disinfectant is not desirable because it causes a pungent odor of the electrochemically activated solution and due to its volatility out of this relatively quickly outgassed, so that the life of a disinfectant thus produced is very limited. In this context, it should also be mentioned that, in principle, no reliable information is given regarding the composition of the electrochemically activated solution, which varies greatly depending on the abovementioned parameters
Haltbarkeit bzw. Lagerfähigkeit der elektrochemisch aktivierten Lösung treffen lassen, so daß praktisch nur eine Produktion derselben vor Ort in Betracht kommt. In der Praxis hat sich das Verfahren daher - vornehmlich aufgrund seiner schlechten Handhabbarkeit bzw. der nur unzureichend möglichen Garantie einer hinreichenden Desinfektion - am Markt nicht durchsetzen können. Durability or shelf life of the electrochemically activated solution made, so that practically only a production of the same locally comes into consideration. In practice, therefore, the method has - mainly due to its poor handling and the insufficiently possible guarantee of adequate disinfection - on the market can not prevail.
Ein gattungsgemäßes Verfahren zur Erzeugung eines Desinfek- tionsmittels mittels elektrochemischer Aktivierung ist beispielsweise aus der WO 2007/093395 A2 bekannt, welche hiermit ausdrücklich zum Gegenstand der vorliegenden Offenbarung gemacht wird. Um für eine möglichst umfassende Verschiebung des Gleichgewichtes an freiem Chlor in dem Desin- fektionsmittel in Form der verdünnten, elektrochemisch aktivierten Lösung hin zu der desinfektiös hoch wirksamen hypochlorigen Säure bei einem ebenfalls hinsichtlich der Desinfektionswirkung günstigen, möglichst hohen Redoxpotential zu sorgen, schlägt die genannte Druckschrift vor, den pH- Wert des anodisch erhaltenen Desinfektionsmittels ("Ano- lyt") auf einen Wert zwischen 2,5 und 3,5 zu steuern. Sinkt der Wert unter etwa 2,5 ab, so reagiert die hypochlorige Säure mit den oben genannten Nachteilen zu elementarem Chlor (Cl2) , während bei einem pH-Wert oberhalb etwa 3,5 das Redoxpotential der elektrochemisch aktivierten Lösung abnimmt und die hypochlorige Säure ab etwa einem pH-Wert von 6 unter Abspaltung ihres Protons zu Hypochlorit disso- ziiert, welches zwar ebenfalls desinfektiös wirksam ist, jedoch um etwa 1 bis 2 Zehnerpotenzen geringer als die hypochlorige Säure selbst. Insoweit stellt das aus der WO 2007/093395 A2 ein sehr wirksames und reproduzierbares Verfahren zur Erzeugung eines gattungsgemäßen Desinfektions- mittels dar. A generic method for producing a disinfectant by means of electrochemical activation is known for example from WO 2007/093395 A2, which is hereby expressly made the subject of the present disclosure. In order for the most extensive possible shift of the equilibrium of free chlorine in the disinfectant in the form of the dilute, electrochemically activated solution towards the hypochlorous acid with high disinfectivity and a high redox potential which is also favorable with regard to the disinfecting action to provide, the cited document proposes to control the pH of the anodically obtained disinfectant ("Anolyte") to a value between 2.5 and 3.5. If the value drops below about 2.5, the hypochlorous acid reacts with the above-mentioned disadvantages to elemental chlorine (Cl 2 ), while at a pH above about 3.5, the redox potential of the electrochemically activated solution decreases and the hypochlorous acid dissociated from about a pH of 6 with elimination of their proton to hypochlorite, which is also disinfectant effective, but about 1 to 2 orders of magnitude lower than the hypochlorous acid itself. In that regard, this is from WO 2007/093395 A2 a very effective and reproducible method for generating a generic disinfectant means.
Darüber hinaus hat es sich, wie ebenfalls in der vorgenannten WO 2007/093395 A2 erwähnt, als vorteilhaft erwiesen, wenn das zur elektrochemischen Aktivierung eingesetzte Was- ser - bzw. die verdünnte Wasser-/Chloridlösung - eine möglichst hohe Reinheit aufweist, wobei es insbesondere im wesentlichen frei sein sollte von anderen Halogenidionen als Chloridionen, also solchen aus der Gruppe Bromid (Br~) , Fluorid (F~) und Iodid (I"), aber auch Oxohalogenidionen, wie Hypochlorit (CIO"), Chlorit (C102 ") , Chlorat (C103 ~) ,Moreover, as also mentioned in the abovementioned WO 2007/093395 A2, it has proved to be advantageous if the water used for the electrochemical activation - or the dilute water / chloride solution - has the highest possible purity, in particular should be substantially free of other halide ions than chloride ions, ie those from the group bromide (Br ~ ), fluoride (F ~ ) and iodide (I " ), but also oxohalide ions, such as hypochlorite (CIO " ), chlorite (C10 2 " ), Chlorate (C10 3 ~ ),
Perchlorat (C104 ~) , Bromat (Br03 ~) etc. Ferner sollte es im wesentlichen frei von Schwermetallen sein, wie insbesondere solchen aus der Gruppe Antimon (Sb) , Arsen (As), Blei (Pb) , Cadmium (Cd), Chrom (Cr), Nickel (Ni), Quecksilber (Hg), Selen (Se) , Eisen (Fe) und Mangan (Mn) . Aus diesem Grund schlägt die WO 2007/093395 A2 vor, daß die spezifische elektrische Leitfähigkeit des elektrochemisch zu aktivierenden Wassers vor Zusetzen der Chloridlösung auf einen Wert von höchstens 350 pS/cm oder vorzugsweise geringer eingestellt wird, was die Reproduzierbarkeit des Verfahrens hinsichtlich der Desinfektions- und Depotwirkung des erzeugten Desinfektionsmittels erhöht, und zwar praktisch unabhängig von dem eingesetzten Wasser. Eine solche "Standardisierung" des eingesetzten Rohwassers ermöglicht nicht nur eine besonders einfache Einstellung der Verfahrensparameter, wie Elektrodenspannung bzw. -ström, Verweilzeit der verdünnten Wasser-/Chloridlösung in dem Elektrolysereaktor, Menge an zudosierter Chloridlösung etc., sondern macht auch auf einfache Weise einen Einsatz von Wässern mit praktisch beliebiger Zusammensetzung ohne jegliche Beeinträchtigung des erhaltenen Desinfektionsmittels möglich, wodurch eine höchst zuverlässige und reproduzierbare Qualität des Desinfektionsmittels gewährleistet wird. Darüber hinaus lassen sich so in dem für die elektrochemische Aktivierung eingesetzten Wasser gegebenenfalls enthaltene Ionen, welche bei der elektrochemischen Aktivierung - wenn auch in nur geringen Konzentrationen - in gesundheitlich bedenkliche Stoffe umgewandelt werden, weitestgehend eliminieren. Als Beispiel seien Bromidionen erwähnt, welche - wie auch bei der bei der Trinkwasseraufbereitung häufig durchgeführten Ozonie- rung - zu Bromat oxidiert werden können, welches in höheren Konzentrationen eine cancerogene Wirkung besitzt. Schließlich läßt sich auf diese Weise auch insbesondere der Gehalt an zweiwertigen Kationen, wie vornehmlich den Härtebildnern Calcium und Magnesium, reduzieren, welche die den Anodenraum von dem Kathodenraum trennende Membran relativ leicht zusetzen können, weshalb das eingesetzte Wasser auch zusätzlich enthärtet werden kann, um die Lebensdauer des Elektrolysereaktors zu erhöhen und seine Wartungsintervalle zu verlängern. Mit "spezifischer elektrischer Leitfähigkeit" ist in diesem Zusammenhang im übrigen die spezifische ionische Leitfähigkeit angesprochen, welche auf der Leitfähigkeit des Wassers bzw. der Wasser-/Chloridlösung aufgrund der hierin gelösten, bewegungsfähigen Ionen beruht. Als problematisch hat sich hierbei indes erwiesen, daß beim Einsatz von enthärtetem und insbesondere demineralisiertem Wasser für die elektrochemische Aktivierung die Steuerung des pH-Wertes auf einen zur Desinfektion günstigen Wert, wie etwa zwischen 2,5 und 6, in welchem das erzeugte freie Chlor vornehmlich in Form von hypochloriger Säure vorliegt, nur relativ schwer möglich ist, wobei insbesondere der Menge an erzeugtem freiem Chlor Grenzen gesetzt sind, da ein erhöhter Umsatz der verdünnten Wasser-/Chloridlösung in dem Elektrolysereaktor (z.B. durch längere Verweilzeit, höhere Elektrodenspannung oder dergleichen) mit einer verstärkten Produktion von H30+-Ionen Salzsäure einhergeht (vgl. obige Reaktionsgleichung (4)), so daß der pH-Wert Gefahr läuft, schnell auf Werte von unterhalb etwa 2,5 abgesenkt zu werden, wo das freie Chlor praktisch vollständig in Form von elementarem Chlor (CI2) vorliegt und die weiter oben genannten Nachteile gegeben sind. Perchlorate (C10 4 ~ ), bromate (Br0 3 ~ ) etc. Furthermore, it should be substantially free of heavy metals, in particular those from the group antimony (Sb), arsenic (As), lead (Pb), cadmium (Cd) , Chromium (Cr), nickel (Ni), mercury (Hg), selenium (Se), iron (Fe) and manganese (Mn). For this reason, WO 2007/093395 A2 proposes that the specific electrical conductivity of the water to be activated electrochemically before adding the chloride solution to a Value of at most 350 pS / cm or preferably lower, which increases the reproducibility of the method with respect to the disinfecting and depot effect of the disinfectant produced, virtually independent of the water used. Such a "standardization" of the raw water used not only allows a particularly simple adjustment of the process parameters, such as electrode voltage or flow, residence time of the dilute water / chloride solution in the electrolysis reactor, amount of metered chloride solution, etc., but also makes a simple way Use of waters of practically any composition without any impairment of the resulting disinfectant possible, whereby a highly reliable and reproducible quality of the disinfectant is ensured. In addition, ions which may be present in the water used for the electrochemical activation and which are converted into harmful substances during the electrochemical activation, even if only in low concentrations, can be eliminated as far as possible. As an example, bromide ions may be mentioned, which - as in the case of ozonation which is frequently carried out in drinking water treatment - can be oxidized to bromate, which has a carcinogenic effect in higher concentrations. Finally, in this way, in particular, the content of divalent cations, such as the hardness formers calcium and magnesium, reduce, which can enforce the anode compartment of the cathode compartment separating membrane relatively easily, which is why the water used can also be additionally softened to the To increase the life of the electrolysis reactor and to extend its maintenance intervals. By "specific electrical conductivity" is in this context, moreover, the specific ionic conductivity, which is based on the conductivity of the water or the water / chloride solution due to the herein dissolved, mobile ions. In this case, however, has proved to be problematic in that the use of softened and demineralized in particular for the electrochemical activation of the control of the pH to a favorable disinfection value, such as between 2.5 and 6, in which the generated free chlorine mainly is in the form of hypochlorous acid, is relatively difficult, in particular, the amount of free chlorine generated limits are, as increased conversion of the dilute water / chloride solution in the electrolysis reactor (eg by longer residence time, higher electrode voltage or the like) accompanied by an increased production of H 3 O + ions hydrochloric acid (see the above reaction equation (4)), so that the pH runs the risk of being lowered rapidly to values below about 2.5, where the free chlorine is practically complete in the form of elemental chlorine (CI2) is present and the disadvantages mentioned above are given.
Um dem zu begegnen, schlägt die EP 2 191 721 AI bei einem gattungsgemäßen Verfahren vor, der Wasser-/Chloridlösung vor Eintritt in den Elektrolysereaktor einen Protonenakzeptor in Form eines Puffers oder einer Base zuzusetzen. Auf diese Weise läßt sich auch im Falle eines Einsatzes von enthärtetem oder auch gänzlich demineralisiertem oder destilliertem Wasser eine erheblich erhöhte Ausbeute an frei- em Chlor in Form der gewünschten Produkte HOC1 oder OCl" sicherstellen, weil der Protonenakzeptor eine stöchiometri- sche Menge an anodisch gebildeten H30+-Ionen gemäß der obigen Reaktionsgleichung (2) "wegzufangen" vermag und somit der pH-Wert - auch im Falle von relativ hohen Umsätzen der zugesetzten Chloridlösung - in dem gewünschten Bereich von oberhalb etwa 2,5 gehalten werden kann, in welchem das Gleichgewicht gemäß der obigen Reaktionsgleichung (4) zula- sten des elementaren Chlors (Cl2) in Richtung der hypochlorigen Säure (HOC1) bzw. des Hypochlorits (0C1~) verschoben ist . To counter this, EP 2 191 721 A1 proposes, in a generic method, adding to the water / chloride solution before entry into the electrolysis reactor a proton acceptor in the form of a buffer or a base. In this way, even in the case of use of softened or also completely demineralized or distilled water, a significantly increased yield of free chlorine in the form of the desired products HOCl or OCl "can be ensured because the proton acceptor has a stoichiometric amount of anodically formed H 3 0 + ions according to the above reaction equation (2) can "catch" and thus the pH can be kept within the desired range of above about 2.5, even in the case of relatively high conversions of the added chloride solution, in which the equilibrium according to the above reaction equation (4) corresponds to the elemental chlorine (Cl 2 ) in the direction of hypochlorous acid (HOC1) or hypochlorite (0C1 ~ ) is shifted.
Die US 6 632 347 Bl beschreibt ebenfalls ein gattungsgemä- ßes Verfahren zur Herstellung eines Desinfektionsmittels, welches zur Einstellung des pH-Wertes der dem Elektrolysereaktor zugesetzten Chloridlösung eine Rezirkulation eines Teils der im Kathodenraum elektrochemisch aktivierten, Hydroxidionen enthaltenden Lösung in den Anodenraum des Reak- tors vorsieht, um entweder Schwankungen des pH-Wertes des jeweils verwendeten Rohwassers zu kompensieren oder den pH- Wert des fertigen, anodisch erzeugten Desinfektionsmittel bedarfsweise zu erhöhen, wobei zugleich der Anteil an anfallendem Katholyt verringert werden soll. Neben erhebli- chen steuerungstechnischen Problemen (so ändert sich beispielsweise je nach Zusammensetzung des zudosierten Katho- lyts, welcher neben Hydroxidionen z.B. auch Chloridionen und andere Ionen enthält, die Leitfähigkeit der Chloridlösung und folglich der Elektrolysestrom in einer nicht vor- hersehbaren Weise und beeinflußt der Volumenstrom durch den Kathodenraumes zugleich die in dem Anodenraum stattfindende elektrochemische Aktivierung) besteht ein Nachteil des bekannten Verfahrens insbesondere darin, daß große Mengen an gelöstem Wasserstoff in den Anodenraum eingetragen werden (vgl. hierzu auch die obige Reaktionsgleichung (1)), welcher im Anodenraum mit den Chloridionen bzw. mit den kurzzeitig direkt an der Elektrode erzeugten Chloratomen und insbesondere mit dem anodisch erzeugten erwünschten Desin- fektionsmittel hypochlorige Säure (H0C1) zu Chlorwasserstoff (HCl) reagiert: US Pat. No. 6,632,347 B1 likewise describes a generic process for producing a disinfectant which, for adjusting the pH of the chloride solution added to the electrolysis reactor, recirculates a portion of the solution containing electrochemical activation in the cathode compartment into the anode compartment of the reactor provides to compensate for either variations in the pH of the raw water used in each case or to increase the pH of the finished, anodically produced disinfectant as needed, while at the same time the proportion of accumulating catholyte should be reduced. In addition to significant control engineering problems (for example, depending on the composition of the dosed catholyte, which contains, in addition to hydroxide ions, for example, chloride ions and other ions, the conductivity of the chloride solution and consequently the electrolysis current changes in a manner which can not be predicted and the volumetric flow rate is affected a disadvantage of the known method is in particular that large amounts of dissolved hydrogen are introduced into the anode compartment (see also the above reaction equation (1)), which in the anode compartment with the Chloride ions or with the short time directly generated at the electrode chlorine atoms and in particular with the anodically generated desired Desin hypochlorous acid (H0C1) to hydrogen chloride (HCl) reacts:
H2 + 2 Cl- > 2 HCl (7)H 2 + 2 Cl-> 2 HCl (7)
H2 + HOC1 > HCl + H20 (8) H 2 + HOC 1> HCl + H 2 O (8)
Insoweit stellt sich letztere Vorgehensweise in Bezug auf das Ziel der Erzeugung eines vornehmlich HOC1 bzw. OC1" enthaltenden Desinfektionsmittels als kontraproduktiv her- aus . In light of this latter procedure in respect of the objective of generating a mainly HOC1 or OC1 "containing disinfectant manufacturing counterproductive.
Ein weiterer Nachteil der elektrochemischen Aktivierung besteht in dem kontinuierlichen Verbrauch relativ großer Mengen an, üblicherweise in Form von Natriumchlorid (Kochsalz) zugesetzten Chloridionen, wobei das Chlorid, wie eingangs erwähnt, bei der elektrochemischen Aktivierung im Gegensatz zur Chlor-Alkalielektrolyse nur zu einem relativ geringen Anteil umgesetzt wird und folglich größtenteils unreagiert sowohl den Anoden- als auch den Kathodenraum den Elektroly- sereaktor passiert. Another disadvantage of the electrochemical activation is the continuous consumption of relatively large amounts of chloride usually added in the form of sodium chloride (common salt), the chloride, as mentioned above, in the electrochemical activation in contrast to the chlor-alkali electrolysis only to a relatively small Part is reacted and thus largely unreacted passes both the anode and the cathode compartment, the electrolytic reactor.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, daß unter zumindest weitestgehender Vermeidung der vorge- nannten Nachteile der Chloridverbrauch auf einfache und kostengünstige Weise vermindert werden kann, ohne die Ausbeute an hypochloriger Säure oder auch Hypochlorit zu beeinträchtigen . Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß die Was- ser-/Chloridlösung nur dem Anodenraum des Elektrolysereaktors aufgegeben wird, während der Kathodenraum des Elektro- lysereaktors mit nicht mit Chloridionen versetztem Wasser gespeist wird. The invention is therefore based on the object to develop a method of the type mentioned in that at least as far as possible avoid the aforementioned disadvantages of the chloride consumption can be reduced in a simple and cost-effective manner, without affecting the yield of hypochlorous acid or hypochlorite. According to the invention this object is achieved in a method of the type mentioned in that the water / chloride solution is fed only to the anode compartment of the electrolysis reactor, while the cathode compartment of the electrolysis Is fed lysereaktors with not mixed with chloride ions water.
Die erfindungsgemäße Ausgestaltung macht es somit möglich, den Verbrauch an Chloridlösung, welche dem eingesetzten Wasser üblicherweise in Form einer Alkalimetallchloridlösung, wie z.B. einer Kaliumchlorid- oder insbesondere einer Natriumchloridlösung, zugesetzt wird, um etwa die Hälfte zu reduzieren, wobei die elektrochemische Reaktion im Anodenraum, wo das Desinfektionsmittel auf der Basis von hypochloriger Säure und/oder Hypochlorit erzeugt wird, nicht beeinträchtigt wird. The embodiment of the invention thus makes it possible to reduce the consumption of chloride solution, which is usually added to the water used, in the form of an alkali metal chloride solution, e.g. a potassium chloride or, in particular, a sodium chloride solution is added to reduce about half, whereby the electrochemical reaction in the anode compartment, where the hypochlorous acid-based and / or hypochlorite-based disinfectant is produced, is not impaired.
Die Erfindung bietet hierbei überraschenderweise insbesondere auch die Möglichkeit eines Einsatzes von deminerali- siertem und/oder destilliertem Wasser oder allgemein eines "standardisierten" Wassers für die dem Elektrolysereaktor aufgegebene Wasser-/Chloridlösung, wobei einer vorteilhafte Ausgestaltung der Verfahrens vorsieht, daß das eingesetzte Wasser enthärtet und/oder demineralisiert wird. Auf diese Weise wird die Reproduzierbarkeit des Verfahrens hinsichtlich der Desinfektions- und Depotwirkung des erzeugten Desinfektionsmittels erhöht, und zwar praktisch unabhängig von dem eingesetzten Wasser. Wie eingangs erwähnt, gewährleistet eine solche "Standardisierung" des eingesetzten Rohwassers ferner nicht nur eine besonders einfache Einstellung der Verfahrensparameter, wie Elektrodenspannung bzw. -ström, Verweilzeit der verdünnten Wasser-/Chloridlösung in dem Elektrolysereaktor, Menge an zudosierter Chloridlösung etc., sondern macht auch auf einfache Weise einen Einsatz von Wässern mit praktisch beliebiger Zusammensetzung ohne jegliche Beeinträchtigung des erhaltenen Desinfektionsmittels möglich, wodurch eine höchst zuverlässige und reprodu- zierbare Qualität des Desinfektionsmittels gewährleistet wird. Zudem läßt sich auf diese Weise auch insbesondere der Gehalt an zweiwertigen Kationen, wie vornehmlich den Härtebildnern Calcium und Magnesium, reduzieren, welche die den Anodenraum von dem Kathiodenraum trennende Membran relativ leicht zusetzen können. Surprisingly, the invention also offers in particular the possibility of using demineralized and / or distilled water or generally a "standardized" water for the water / chloride solution charged to the electrolysis reactor, wherein an advantageous embodiment of the method provides that the water used softens and / or demineralized. In this way, the reproducibility of the method with respect to the disinfecting and depot effect of the disinfectant produced is increased, virtually independent of the water used. As mentioned above, such "standardization" of the raw water used also not only ensures a particularly simple adjustment of the process parameters, such as electrode voltage or flow, residence time of the dilute water / chloride solution in the electrolysis reactor, amount of metered chloride solution, etc., but makes It also makes it possible to easily use waters of practically any composition without any impairment of the disinfectant obtained, thereby providing a highly reliable and reproducible zable quality of the disinfectant is guaranteed. In addition, in this way, in particular, the content of divalent cations, such as primarily the hardness formers calcium and magnesium, reduce, which can enforce the anode space of the cathode space separating membrane relatively easily.
Aus diesem Grund ist vorzugsweise vorgesehen, daß der Anodenraum des Elektrolysereaktors mit der Wasser-/Chlorid- lösung aus enthärtetem und/oder demineralisiertem Wasser und der Kathodenraum des Elektrolysereaktors mit enthärtetem und/oder demineralisiertem Wasser gespeist werden, d.h. beide elektrochemischen Halbzellen des Elektrolysereaktors werden mit enthärtetem oder demineralisiertem Wasser gespeist. Auch diesbezüglich wurde überraschenderweise gefunden, daß die elektrochemische Reaktion im Anodenraum hierdurch nicht beeinträchtigt wird, wobei vermutet wird, daß die kathodisch erzeugten Hydroxidionen für eine hinreichende Leitfähigkeit auch im Kathodenraum sorgen, um die elektrochemische Reaktion im Anodenraum nicht negativ zu beeinflussen . For this reason, it is preferably provided that the anode compartment of the electrolysis reactor with the water / chloride solution of softened and / or demineralized water and the cathode compartment of the electrolysis reactor with softened and / or demineralized water are fed, i. both electrochemical half-cells of the electrolysis reactor are fed with softened or demineralized water. Also in this regard, it has surprisingly been found that the electrochemical reaction in the anode compartment is not affected by this, it being assumed that the cathodically produced hydroxide provide sufficient conductivity in the cathode compartment, so as not to adversely affect the electrochemical reaction in the anode compartment.
Insbesondere im Falle einer Enthärtung und/oder Deminerali- sierung des eingesetzten Wassers kann es überdies von Vorteil sein, wenn zur Trennung des Anodenraumes von dem Kathodenraum des Elektrolysereaktors eine für Kationen durchlässige Membran, insbesondere eine Kationenaustauschermembran, verwendet wird, wobei zur Trennung des Anodenraumes von dem Kathodenraum des Elektrolysereaktors beispielsweise eine Polymerelektrolytmembran verwendet werden kann, wie sie unter dem Handelsnamen "Nafion™" kommerziell erhältlich ist. Eine solche Membran ist für einwertige Kationen weitestgehend durchlässig, so daß die Kationen aus der dem Anodenraum zugesetzten Wasser-/Chloridlösung, wie Kalium oder insbesondere Natriumionen, die Membran vom Anodenraum in den Kathodenraum passieren können und im Kathodenraum für eine verbesserte Leitfähigkeit und folglich für eine schnellere elektrochemische Reaktion sorgen können. In particular, in the case of softening and / or demineralization of the water used, it may also be advantageous if a cation-permeable membrane, in particular a cation exchange membrane, is used to separate the anode space from the cathode space of the electrolysis reactor, wherein the anode space is separated from For example, a polymer electrolyte membrane commercially available under the trade name "Nafion ™" may be used in the cathode compartment of the electrolytic reactor. Such a membrane is largely permeable to monovalent cations, so that the cations from the Anode space added water / chloride solution, such as potassium or in particular sodium ions, the membrane can pass from the anode compartment in the cathode compartment and provide in the cathode compartment for improved conductivity and consequently for a faster electrochemical reaction.
Um für eine Verringerung an bei der elektrochemischen Reaktion anfallendem - kathodischem - Abwasser zu sorgen, kann es darüber hinaus von Vorteil sein, wenn der Kathodenraum des Elektrolysereaktors mit einem geringeren Volumenstrom an Wasser gespeist wird als der Volumenstrom an verdünnter Wasser-/Chloridlösung durch den Anodenraum des Elektrolysereaktors. Ein weiterer Vorteil einer solchen Vorgehensweise besteht insbesondere beim Einsatz von enthärtetem und/oder demineralisiertem Wasser darin, daß die vornehmlich durch elektrochemisch erzeugte Hydroxidionen (OH~) sowie vorzugsweise auch durch die Membran permeierende Alkalimetallionen (K+, Na+) hervorgerufene Leitfähigkeit im Kathodenraum infolge geringerer Verdünnung erhöht wird, so daß die im Anodenraum vonstatten gehende elektrochemische Umsetzung der Chloridionen nicht gehemmt wird. In order to reduce the amount of cathodic waste water generated during the electrochemical reaction, it may also be advantageous if the cathode space of the electrolysis reactor is fed with a lower volume flow of water than the volume flow of dilute water / chloride solution through the anode space of the electrolysis reactor. A further advantage of such a procedure, in particular when using softened and / or demineralized water, is that the conductivity caused by electrochemically generated hydroxide ions (OH.sup.- 1 ) and preferably also by the membrane permeating alkali metal ions (K.sup. + , Na.sup. + ) In the cathode compartment lower dilution is increased so that the anode space in the going electrochemical conversion of the chloride ions is not inhibited.
Der Volumenstrom durch den Anodenraum des Elektrolysereaktors kann hierbei bevorzugt wenigstens das zweifache, insbesondere wenigstens das dreifache, vorzugsweise wenigstens das vierfache und beispielsweise auch etwa das zehnfache oder mehr des Volumenstromes durch den Kathodenraum des Elektrolysereaktors betragen. The volume flow through the anode chamber of the electrolysis reactor may in this case preferably amount to at least twice, in particular at least three times, preferably at least four times and for example also about ten times or more, the volume flow through the cathode space of the electrolysis reactor.
Gemäß einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann vorgesehen sein, daß ein Teil des Volumenstroms des aus dem Kathodenraum des Elektrolysereaktors austretenden, Hydroxidionen (OH~) enthaltenden Wassers in den Anodenraum des Elektrolysereaktors bzw. in die diesem zugesetzte Was- ser-/Chloridlösung rezirkuliert wird. Dies kann insbesondere im Falle des Einsatzes von enthärtetem und/oder demine- ralisiertem Wasser dem Zweck dienen, eine erhöhte Ausbeute an freiem Chlor in Form der gewünschten Produkte HOC1 oder OC1" bis in einen Bereich von etwa 1000 mg/1 an freiem Chlor sicherstellen, wie es aus der eingangs erwähnten EP 1 292 721 AI als solches bekannt ist. Diesbezüglich wird auf die obigen Ausführungen verwiesen. Die Erfindung bietet demgegenüber allerdings den zusätzlichen Vorteil, daß die teilweise Rezirkulation der kathodischen - weitestgehend chloridfreien - Lösung in den Anodenraum des Elektrolysereaktors den dortigen Chloridanteil nicht verändert bzw. konstant beläßt, so daß die Steuer- bzw. regeltechnisch in Ab- hängigkeit des Chloridgehaltes eingestellten ParameterAccording to a development of the inventive method can be provided that contains a part of the volume flow of the exiting from the cathode compartment of the electrolysis reactor, hydroxide ions (OH-) water in the anode chamber of the electrolysis reactor or in the added this water / chloride solution. This can serve, in particular in the case of the use of softened and / or demineralized water, the purpose of ensuring an increased free chlorine yield in the form of the desired products HOCl or OC1 " up to a range of about 1000 mg / l of free chlorine, However, the invention offers the additional advantage that the partial recirculation of the cathodic - largely chloride-free - solution in the anode compartment of the electrolysis reactor the The chlorine content there does not change or remains constant, so that the control or regulation technically adjusted as a function of the chloride content parameters
Elektrodenstrom und -Spannung nicht verändert werden müssen. Darüber hinaus wird die Leitfähigkeit der Was- ser-/Chloridlösung im Anodenraum hierdurch allenfalls in einem Maße erhöht, welche ebenfalls keine Steuer- bzw. re- geltechnischen Veränderungen erfordert. Selbstverständlich bietet die Erfindung darüber hinaus die Möglichkeit des bedarfsweisen Zusetzens eines - ebenfalls vorzugsweise weitgehend chloridfreien - Puffers, wie es ebenfalls aus der EP 1 292 721 AI bekannt ist. Electrode current and voltage do not need to be changed. In addition, the conductivity of the water / chloride solution in the anode space is thereby at most increased to an extent which likewise does not require any control or regulatory changes. Of course, the invention also offers the possibility of adding a - also preferably substantially chloride-free - buffer, as is also known from EP 1 292 721 AI.
Sofern ein Teil der kathodischen Lösung aus den genannten Gründen in den Anodenraum des Elektrolysereaktors bzw. in die diesem zugesetzte Wasser-/Chloridlösung rezirkuliert wird, sollte der im Kathodenraum des Elektrolysereaktors erzeugte Wasserstoff in dem aus dem Kathodenraum austretenden Wasser zuvor vorzugsweise entfernt werden, um nicht gemäß der obigen Reaktionsgleichung (8) einen Zerfall der anodisch erzeugten, desinfektiös wirksamen Produkte HOC1 und/oder OC1" zu bewirken. Die Entfernung des Wasserstoffes kann beispielsweise durch Ausgasen mittels üblicher If a part of the cathodic solution is recirculated for the reasons mentioned in the anode compartment of the electrolysis reactor or in this added water / chloride solution, the hydrogen generated in the cathode compartment of the electrolysis reactor in the emerging from the cathode compartment water should preferably be removed before, not to according to the above reaction equation (8), a disintegration of the anodically produced, disinfectively active products HOC1 and / or to cause OC1 ". The removal of hydrogen, for example, by means of conventional outgassing
Gas-/Flüssigkeitsabscheider erfolgen . Gas / liquid separator done.
Wie bereits erwähnt, kann gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen sein, daß der pH-Wert des im Anodenraum des Elektrolysereaktors erzeugten Desinfektionsmittels auf einen Wert zwischen 2,5 und 6, insbesondere zwischen 2,5 und 5, vorzugsweise zwischen 2,5 und 4, gesteuert wird, wobei insbesondere ein pH- Wertebereich von etwa 2,5 bis etwa 3,5 oder von etwa 2,7 bis etwa 3,5 günstig sein kann, um für ein praktisch vollständiges Vorliegen des freien Chlors in Form von hypochloriger Säure bei einem hohen Redoxpotential des Desinfektionsmittels, z.B. im Bereich von etwa 1340 mV, zu sorgen. As already mentioned, it can be provided according to a preferred embodiment of the method according to the invention that the pH of the disinfectant produced in the anode compartment of the electrolysis reactor to a value between 2.5 and 6, in particular between 2.5 and 5, preferably between 2.5 and 4, in particular, a pH range of from about 2.5 to about 3.5, or from about 2.7 to about 3.5, may be favorable to provide for substantially complete presence of the free chlorine in the form of hypochlorous Acid at a high redox potential of the disinfectant, eg in the range of about 1340 mV.
In weiterhin bevorzugter Ausführung kann vorgesehen sein, daß das eingesetzte enthärtete oder demineralisierte Wasser eine Härte zwischen 0 und 4 dH, insbesondere zwischen 0 und 2 dH aufweist. Mit "Härte" ist in diesem Zusammenhang die Konzentration von zweiwertigen Erdalkalimetallionen, also Calcium (Ca) , Magnesium (Mg) , Strontium (Sr) und Barium (Ba) , wobei die beiden letztgenannten in der Praxis in aller Regel keine Rolle spielen. l°dH entspricht einer Konzentration von Erdalkalimetallionen von 0,179 mMol/1, 2°dH einer Konzentration von 0,358 mMol/1 etc. Eine solche Einstellung der Härte des eingesetzten Wassers ist insbesondere bei relativ harten, calcium- und/oder magnesiumhaltigen Wässern zweckmäßig, um die Lebensdauer des Elektrolysereaktors zu erhöhen bzw. dessen Wartungsintervalle zu verlängern. Indes sollte insbesondere bei sehr leitfähigen Wässern, d.h. bei solchen mit einer hohen Gesamtionenkonzen- tration, dafür Sorge getragen werden, daß das Wasser nicht lediglich mittels eines Ionentauschers enthärtet wird, da der Ionentauscher je ein zweiwertiges Erdalkalimetallion durch zwei einwertige Alkalimetallionen ersetzt und somit die Leitfähigkeit insgesamt weiter erhöht wird. Aus diesem Grund kann es zweckmäßig sein, das Wasser zunächst zu enthärten und sodann die Leitfähigkeit durch zusätzliche Maßnahmen abzusenken. In a further preferred embodiment it can be provided that the used softened or demineralized water has a hardness between 0 and 4 dH, in particular between 0 and 2 dH. By "hardness" is in this context the concentration of divalent alkaline earth metal ions, ie calcium (Ca), magnesium (Mg), strontium (Sr) and barium (Ba), the latter two in practice usually play no role. l ° dH corresponds to a concentration of alkaline earth metal ions of 0.179 mmol / l, 2 ° dH of a concentration of 0.358 mmol / 1 etc. Such an adjustment of the hardness of the water used is expedient in particular for relatively hard, calcium- and / or magnesium-containing waters To increase the life of the electrolysis reactor or to extend its maintenance intervals. However, especially in the case of very conductive waters, ie those with a high total ion concentration, care should be taken to ensure that the water does not is only softened by means of an ion exchanger, since the ion exchanger ever replaced a divalent alkaline earth metal ion by two monovalent alkali metal ions and thus the conductivity is further increased overall. For this reason, it may be appropriate to first soften the water and then lower the conductivity by additional measures.
In diesem Zusammenhang sieht eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens vor, daß die spezifische elektrische Leitfähigkeit des eingesetzten Wassers auf einen Wert von höchstens 350 yS/cm, insbesondere höchstens 150 yS/cm, vorzugsweise höchstens 100 S/cm, wie beispielsweise höchstens etwa 50 yS/cm, eingestellt wird, wobei das Verfahren insbesondere auch einen vorteilhaften Einsatz von standardisiertem demineralisiertem bzw. deionisiertem Wasser, sogenanntem vollentsalzten Wasser oder "VE-Wasser, " mit einer spezifischen elektrischen Leitfähigkeit von kleiner 25 yS/cm ermöglicht. Zur Entsalzung und/oder Enthärtung bzw. Demineralisierung des eingesetzten Wassers kann vorzugsweise ein Membranverfahren, wie insbesondere Umkehrosmose, Mikro-, Nano- oder Ultrafiltration, eingesetzt werden, wobei ein weiterer Vorteil solcher Membranverfahren darin besteht, daß in dem Rohwasser gegebenenfalls vorhandene Verunreinigungen entfernt werden. Dies gilt einerseits für organische Verunreinigungen, so daß beispielsweise die Bildung von chlororganischen Verbindungen während der elektrochemischen Aktivierung zuverlässig vermieden wird, andererseits für anorganische Verunreinigungen, wie insbesondere Metallionen, z.B. Kupfer, Eisen, Mangan etc., welche andernfalls in dem fertigen Desinfektionsmittel einen unerwünschten Abbau der erzeugten hypochlorigen Säure kataly- tisch begünstigen könnten. Selbstverständlich kommen indes auch andere als solche bekannte Verfahren zur Enthärtung und/oder Demineralisierung des eingesetzten Wassers in Betracht, wie beispielsweise Destillation oder - wie bereits angesprochen - Inkontaktbringen des Wassers mit Ionenaustauscherharzen . In this context, an advantageous embodiment of the inventive method provides that the specific electrical conductivity of the water used to a value of at most 350 yS / cm, in particular at most 150 yS / cm, preferably at most 100 S / cm, such as at most about 50 yS In particular, the method also allows advantageous use of standardized demineralized or deionized water, so-called demineralized water or "demineralised water," with a specific electrical conductivity of less than 25 yS / cm. For desalting and / or softening or demineralizing the water used, it is possible to use a membrane process, in particular reverse osmosis, micro-, nano- or ultrafiltration, whereby a further advantage of such membrane processes is that any impurities present in the raw water are removed , This applies on the one hand for organic impurities, so that, for example, the formation of organochlorine compounds during electrochemical activation is reliably avoided, on the other hand for inorganic impurities, such as metal ions, eg copper, iron, manganese, etc., which otherwise in the finished disinfectant undesirable degradation could favor catalytically the produced hypochlorous acid. Of course, however, come Other known as such method for softening and / or demineralization of the water used, such as distillation or - as already mentioned - contacting the water with ion exchange resins.
Die Chloridkonzentration, insbesondere in Form von Natrium- und/oder Kaliumchlorid, der dem Anodenraum des Elektrolysereaktors zugesetzten, verdünnten Wasser-/Chloridlösung kann zweckmäßig auf einen Wert von höchstens 20 g/1, insbesondere zwischen 0,1 und 10 g/1, vorzugsweise zwischen 0,1 und 5 g/1 gesteuert werden. Auf diese Weise läßt sich insbesondere im Falle einer teilweisen Rezirkulation der kathodisch erhaltenen OH~-Ionen in den Anodenraum bzw. in die diesem zugesetzte Wasser-Chloridlösung auch im Falle eines Einsatzes von vollentsalztem bzw. demineralisiertem Wasser, wie sogenanntem "VE-Wasser", problemlos eine Konzentration an freiem Chlor in dem erzeugten Desinfektionsmittel in einem erwünschten Bereich von etwa 10 mg/1 bis etwa 50 mg/1, vorzugsweise im Bereich von etwa 20 mg/1 bis etwa 40 mg/1, erreichen, was bei einem pH-Wert von etwa 2,5 bis 3,5 des anodisch erzeugten Desinfektionsmittels (Anolyt) einer Konzentration an hypochloriger Säure (HC10) von etwa 7,4 mg/1 bis etwa 37 mg/1 bzw. von etwa 14,8 mg/1 bis etwa 29,6 mg/1 entspricht . The chloride concentration, in particular in the form of sodium and / or potassium chloride, the dilute water / chloride solution added to the anode compartment of the electrolysis reactor can advantageously be at a value of at most 20 g / l, in particular between 0.1 and 10 g / l, preferably be controlled between 0.1 and 5 g / 1. In this way, in particular in the case of a partial recirculation of the cathodically obtained OH ~ ions in the anode compartment or in the water-chloride solution added thereto also in the case of use of demineralized water or demineralized water, such as so-called "DI water", easily reach a concentration of free chlorine in the generated disinfectant in a desired range of about 10 mg / l to about 50 mg / l, preferably in the range of about 20 mg / l to about 40 mg / l, which at a pH A value of about 2.5 to 3.5 of the anodized disinfectant (anolyte) has a hypochlorous acid (HC10) concentration of about 7.4 mg / l to about 37 mg / l and about 14.8 mg / l to about about 29.6 mg / 1 corresponds.
Wie bereits angedeutet, gibt das erfindungsgemäße Verfahren insbesondere im Falle einer teilweisen Rezirkulation der kathodischen Lösung und/oder eines externen Zusatzes einer Pufferlösung schließlich die Möglichkeit, je nach Bedarf ein Desinfektionsmittel mit einem freien Chlorgehalt in Form von HOC1 und/oder 0C1" im Bereich von etwa 20 mg/1 bis in den g/l-Bereich zu erzeugen. Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels eines unter Bezugnahme auf die Zeichnungen. Dabei zeigen: eine schematische Ansicht eines Elektrolysereaktors einschließlich der aufgegebenen Edukte und der erhaltenen Produkte, wie er bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines Desinfektionsmittels auf der Basis von hypochloriger Säure und/oder Hypochlorit durch elektrochemische Aktivierung einer Chloridlösung Verwendung finden kann; und ein schematisches Verfahrensfließbild eines Verfahrens zur Herstellung eines Desinfektionsmittels auf der Basis von hypochloriger Säure und/ oder Hypochlorit durch elektrochemische Aktivierung einer Chloridlösung unter Verwendung eines Elektrolysereaktors gemäß Fig. 1. As already indicated, in the case of a partial recirculation of the cathodic solution and / or an external addition of a buffer solution, the method according to the invention finally gives the possibility, as required, of a disinfectant having a free chlorine content in the form of HOC1 and / or OCl " in the range of about 20 mg / 1 to produce in the g / l range. Further features and advantages of the invention will become apparent from the following description of an embodiment of one with reference to the drawings. 1 is a schematic view of an electrolytic reactor including the charged starting materials and the products obtained, which can be used in a method according to the invention for producing a disinfectant based on hypochlorous acid and / or hypochlorite by electrochemical activation of a chloride solution; and a schematic process flow diagram of a process for preparing a hypochlorous acid-based hypochlorite-based disinfectant by electrochemical activation of a chloride solution using an electrolytic reactor shown in FIG. 1.
Die in Fig. 2 schematisch dargestellte, zur kontinuierlichen oder semikontinuierlichen Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens geeignete Vorrichtung zur Desinfek tion von Wasser durch elektrochemische Aktivierung (ECA) zweigt aus einer Hauptwasserleitung 1 über eine Abzweiglei tung 2 Wasser ab, welches als Rohwasser für die elektroche mische Aktivierung verwendet wird. Die Hauptwasserleitung kann beispielsweise Teil eines öffentlichen Wasserversorgungssystems sein. Die Abzweigleitung 2 ist mit einem Ventil 3, insbesondere in Form eines Steuerventils, sowie vor zugsweise mit einem dem Ventil 3 vor- oder nachgeordneten Filter F, insbesondere in Form eines Feinfilters mit einer Lochweite von beispielsweise etwa 80 bis 100 μπι, ausgestattet und mündet stromab des Ventils 3 bzw. des Filters F in einen Enthärter 4, welcher z.B. mit einem geeigneten Ionenaustauscherharz bestückt ist und die in dem Wasser enthaltenen zweiwertigen Härtebildner Calcium- und Magnesiumionen durch einwertige Ionen, wie beispielsweise Natriumionen, ersetzt. Um die Lebensdauer des weiter unten näher beschriebenen Elektrolysereaktors 10 zu erhöhen bzw. um dessen Wartungsintervalle zu verlängern, hält der Enthärter 4 die Härte des Wassers z.B. auf einem Wert von höchstens 2°dH (entsprechend einer Konzentration an Erdalkalimetallionen von 0,358 mMol/1), vorzugsweise von höchstens l°dH (entsprechend einer Konzentration an Erdalkalimetallionen von 0,179 mMol/1) . Der Ablauf 5a des Enthärters 4 mündet in eine Entsalzungseinrichtung 6 zur Verminderung der spezifischen elektrischen - bzw. ionischen - Leitfähigkeit des Wassers, welche insbesondere von einer Membrananlage, wie einer Umkehrosmoseanlage oder von einer Mikro-, Nano- oder Ultrafiltrationsanlage gebildet sein kann und die spezifische elektrische Leitfähigkeit des Wassers z.B. auf einem Wert von höchstens etwa 100 S/cm oder insbesondere auch von höchstens etwa 25 yS/cm hält, so daß es sich bei dem über eine Leitung 7a aus der Entsalzungseinrichtung 6 abgeführten Wasser um im wesentlichen vollentsalztes, sogenanntes "VE-Wasser" handelt, welches somit unabhängig von dem jeweils eingesetzten Wasser standardisiert ist. Im Ablauf 7a der Entsalzungseinrichtung 6 kann eine Leitfähigkeitsmeßeinrichtung (nicht dargestellt) , wie eine Leitfähigkeitsmeßzelle, -elektrode oder dergleichen, zur Überwachung der Einhaltung des jeweils gewünschten Wertes der spezifischen elektrischen Leitfähigkeit des Wassers angeordnet sein. Selbstverständlich kann insbesondere im Falle des Einsatzes von relativ weichem Wasser alternativ z.B. auch lediglich eine Entsalzungseinrichtung 6 ohne einer dieser vorgeschalteten Enthärtungsanlage 4 vorgesehen sein. Ferner kann aus der Enthärtungsanlage 4 und/oder aus der Entsal- zungseinrichtung 6 eine Abflußleitung 5b, 7b münden, welche beim vorliegenden Ausführungsbeispiel in eine gemeinsame Abflußleitung 8 münden, über welche das Abwasser aus den Anlagen 4, 6 verworfen werden kann. Darüber hinaus können insbesondere dann, wenn das zu desinfizierende Wasser einen verhältnismäßig hohen organischen Kohlenstoffgehalt aufweist, Maßnahmen vorgesehen sein, um den Kohlenstoffgehalt des Wassers zu erniedrigen. Hierzu kann beispielsweise zusätzlich eine UV-Oxidationsanlage (nicht gezeigt) vorgesehen sein, welche den gesamten organischen Kohlenstoffgehalt (TOC) und/oder den chemischen Sauerstoffbedarf (COD) auf einen Wert von z.B. höchstens etwa 25 ppb, insbesondere von z.B. höchstens etwa 20 ppb, bzw. auf einen Wert von z.B. höchstens etwa 7 mg 02/l, ins- besondere von z.B. höchstens etwa 5 mg 02/l, absenkt. Zur Messung und/oder Kontrolle des TOC- bzw. COD-Wertes - oder auch anderer Gruppenparameter zur Erfassung des im Wasser enthaltenen organischen Kohlenstoffes, wie des gelösten organischen Kohlenstoffes (DOC, dissolved organic carbon) - können aus dem Stand der Technik bekannte Einrichtungen vorgesehen sein. Ebenfalls ist es auch in Verbindung mit dem Enthärter 4 und/oder der Entsalzungs- bzw. Membrananlage 6 denkbar, den über die Abzweigleitung 2 aus der Hauptwasserleitung 1 abgezweigten, elektrochemisch zu aktivie- renden Teilstrom des Wassers nur bedarfsweise durch den Enthärter 4, die Membrananlage 6 bzw. die UV-Oxidations- anlage zu führen, nämlich dann, wenn der jeweilige Grenzwert überschritten wird, und die jeweilige Anlage andern- falls mittels einer Bypaßleitung (nicht gezeigt) zu überbrücken, was beispielsweise bei stark schwankender Qualität des Rohwassers sinnvoll sein kann. Der Ablauf 7a der Membrananlage 6 führt in einen Mischer Mi, welcher in einen weiter unten unter Bezugnahme auf Fig. 1 näher erläuterten Elektrolysereaktor 10 mündet. Über die Abzweigleitung 2 ist somit ein mittels des Steuerventils 3 steuerbarer, enthärteter und deionisierter Teilstrom des in der Hauptwasserleitung 1 geförderten Wassers in den Elektrolysereaktor 10 überführbar, wobei z.B. ein Teilstrom des in der Hauptwasserleitung 1 geförderten Wassers in der Größenordnung von 1/200 über die Abzweigleitung 2 abgezweigt wird. Der Mischer i steht zulaufseitig einerseits - wie bereits erwähnt - mit dem Ablauf 7a der Membrananlage 6, andererseits mit einem Reservoir 11 zur Aufnahme einer Chloridlösung, insbesondere in Form einer im wesentlichen gesättigten Alkalimetallchloridlösung - im vorliegenden Fall z.B. einer im wesentlichen gesättigten Natriumchlorid- lösung -, in Verbindung, welche in dem Mischer i möglichst homogen miteinander vermischt werden und über eine gemeinsame, ablaufseitige Leitung 14 des Mischers Mi in den Anodenraum 10a des Elektrolysereaktors 10 gelangen. Die von dem Reservoir 11 in den Mischer Mi führende Leitung 12 ist ferner mit einer Dosierpumpe 13 ausgestattet, um dem enthärteten und entsalzten Wasser eine definierte Menge an Natriumchloridlösung, z.B. im Bereich von etwa 1 bis etwa 10 g/1 NaCl, zuzusetzen. Der Kathodenraum 10b des Elektrolysereaktors 10 wird hingegen direkt mit dem aus der Mem- brananlage 6 austretenden, enthärteten und entsalzten Wasser gespeist, was über eine Leitung 9 geschieht, welche stromauf des Mischers Miaus dem Ablauf 7a der Membrananlage 6 abzweigt. Der über die Leitung 9 dem Kathodenraum 10b des Elektrolysereaktors 10 zugeführte Volumenstrom an enthärtetem und demineralisiertem Wasser kann aus den oben erwähnten Gründen insbesondere, z.B. um etwa den Faktor 10, geringer eingestellt werden als der dem Anodenraum 10a des Elektrolysereaktors 10 über die Leitung 14 zugeführte Volumenstrom an enthärteter und demineralisierter Natriumchloridlösung, was beispielsweise mittels eines in der Leitung 9 vorgesehenen Drosselventils 9a oder mittels beliebiger anderer Einrichtungen zur Durchflußsteuerung und/oder auch durch entsprechende (kleinere) Dimensionierung des Kathodenraumes 10b des Elektrolysereaktors 10 geschehen kann. The illustrated schematically in Fig. 2, suitable for continuous or semi-continuous implementation of a method according to the invention for Desinfek tion of water by electrochemical activation (ECA) branches from a main water line 1 via a Abzweiglei device 2 from water, which as raw water for the electrochemical mixing activation is used. The main water line may for example be part of a public water supply system. The branch line 2 is connected to a valve 3, in particular in the form of a control valve, and preferably before with a valve 3 upstream or downstream Filter F, in particular in the form of a fine filter with a hole width of, for example, about 80 to 100 μπι, equipped and opens downstream of the valve 3 and the filter F in a softener 4, which is equipped for example with a suitable ion exchange resin and contained in the water divalent hardener calcium and magnesium ions replaced by monovalent ions, such as sodium ions. In order to increase the life of the electrolytic reactor 10 described in more detail below or to extend its maintenance intervals, the softener 4 keeps the hardness of the water, for example, at a value of at most 2 ° dH (corresponding to a concentration of alkaline earth metal ions of 0.358 mmol / l), preferably at most l ° dH (corresponding to a concentration of alkaline earth metal ions of 0.179 mmol / l). The effluent 5a of the water softener 4 opens into a desalination device 6 for reducing the specific electrical or ionic conductivity of the water, which may be formed in particular by a membrane system, such as a reverse osmosis plant or by a micro, nano or ultrafiltration plant and the specific electrical conductivity of the water, for example, to a value of at most about 100 S / cm or in particular also holds at most about 25 yS / cm, so that it is in the discharged via a line 7a from the desalting 6 water to substantially demineralized, so-called " VE water "is, which is thus standardized regardless of the water used in each case. In the drain 7a of the desalting device 6, a conductivity measuring device (not shown), such as a conductivity cell, electrode or the like, may be arranged to monitor compliance with the particular desired value of the specific electrical conductivity of the water. Of course, especially in the case of Use of relatively soft water alternatively, for example, only a desalination device 6 without one of these upstream softening system 4 may be provided. Furthermore, a discharge line 5b, 7b can lead from the softening plant 4 and / or from the desalting device 6, which discharge in the present embodiment into a common discharge line 8, via which the wastewater from the plants 4, 6 can be discarded. In addition, especially when the water to be disinfected has a relatively high organic carbon content, measures may be taken to lower the carbon content of the water. For this purpose, for example, additionally a UV oxidation system (not shown) may be provided which has the total organic carbon content (TOC) and / or the chemical oxygen demand (COD) to a value of, for example, at most about 25 ppb, in particular of at most about 20 ppb, or to a value of, for example, at most about 7 mg 0 2 / l, in particular of, for example, at most about 5 mg 0 2 / l, lowers. To measure and / or control the TOC or COD value - or other group parameters for detecting the organic carbon contained in the water, such as the dissolved organic carbon (DOC, dissolved organic carbon) - known from the prior art devices are provided be. Likewise, it is also conceivable in connection with the softener 4 and / or the desalination or membrane system 6, the partial flow of the water branched off via the branch line 2 from the main water line 1 and electrochemically activated only by the softener 4, the membrane system 6 or the UV oxidation plant, namely, when the respective limit value is exceeded, and the respective plant otherwise if by means of a bypass line (not shown) to bridge, which may be useful, for example, in strongly fluctuating quality of the raw water. The outlet 7a of the membrane unit 6 leads into a mixer Mi, which opens into an electrolysis reactor 10 explained in greater detail below with reference to FIG. Via the branch line 2 is thus controllable by means of the control valve 3, softened and deionized part of the funded in the main water line 1 water in the electrolysis reactor 10, for example, a partial flow of funded in the main water line 1 water in the order of 1/200 on the Branch line 2 is branched off. The mixer i is on the inlet side on the one hand - as already mentioned - with the outlet 7a of the membrane unit 6, on the other hand with a reservoir 11 for receiving a chloride solution, in particular in the form of a substantially saturated alkali metal chloride solution - in the present case, for example, a substantially saturated sodium chloride solution - , in which are mixed as homogeneously as possible in the mixer i and pass through a common, drain-side line 14 of the mixer Mi in the anode compartment 10a of the electrolysis reactor 10. The line 12 leading from the reservoir 11 into the mixer Mi is further equipped with a metering pump 13 to add to the softened and desalinated water a defined amount of sodium chloride solution, eg in the range of about 1 to about 10 g / 1 NaCl. The cathode chamber 10b of the electrolysis reactor 10, on the other hand, is fed directly with the softened and desalinated water leaving the membrane system 6, which takes place via a line 9 which branches off the outlet 7a of the membrane installation 6 upstream of the mixer Miaus. The via the line 9 to the cathode compartment 10b of the For the reasons mentioned above, the volumetric flow of softened and demineralized water supplied to the electrolysis reactor 10 can be set lower, for example by a factor of about 10, than the volume flow of softened and demineralized sodium chloride solution fed to the anode compartment 10a of the electrolysis reactor 10 via the conduit 14 a provided in the line 9 throttle valve 9a or by any other means for flow control and / or by appropriate (smaller) dimensioning of the cathode chamber 10b of the electrolysis reactor 10 can be done.
Wie insbesondere der Fig. 1 zu entnehmen ist, umfaßt der Elektrolysereaktor 10 eine Anode 101, welche beim vorlie- genden Ausführungsbeispiel z.B. von einem mit katalytisch wirksamem Rutheniumdioxid (Ru02) beschichteten Träger aus Titan gebildet ist, an welchen der Pluspol 101a einer nicht näher dargestellten Spannungsquelle anschließbar ist. Alternativ oder zusätzlich zu Rutheniumoxid kann beispiels- weise auch eine Beschichtung auf der Basis von Iridiumdioxid (Ir02) oder einer Mischung beider (Ru02/Ir02) oder anderer Oxide, wie Titandioxid (Ti02) , Bleidioxid (Pb02) und/oder Mangandioxid (Mn02) , vorgesehen sein. Der Elektrolysereaktor 10 umfaßt des weiteren eine Kathode 102, welche zweckmäßig aus Edelstahl oder ähnlichen Materialien, wie Nickel (Ni), Platin (Pt) etc., gefertigt ist. Die Kathode 102 ist an den Minuspol 102a der nicht näher weitergegebenen Spannungsquelle anschließbar. Zwischen dem mit der Anode 101 bestückten Anodenraum 10a und dem mit der Kathode 102 ausgestatteten Kathodenraum 10b ist zur räumlichenAs can be seen in particular from FIG. 1, the electrolytic reactor 10 includes an anode 101, which is formed coated by a with catalytically active ruthenium dioxide (Ru0 2) when PRESENT embodiment, for example, carrier of titanium, to which the positive terminal 101a of an unspecified represented voltage source can be connected. Alternatively or in addition to ruthenium oxide, it is also possible, for example, to use a coating based on iridium dioxide (IrO 2 ) or a mixture of both (RuO 2 / IrO 2 ) or other oxides, such as titanium dioxide (TiO 2 ), lead dioxide (PbO 2 ) and / or manganese dioxide (Mn0 2 ). The electrolytic reactor 10 further includes a cathode 102 which is conveniently made of stainless steel or similar materials such as nickel (Ni), platinum (Pt), etc. The cathode 102 is connectable to the negative pole 102a of the voltage source not further disclosed. Between the equipped with the anode 101 anode compartment 10 a and the cathode 102 equipped with the cathode chamber 10 b is the spatial
Trennung derselben ein(e) für Kationen durchlässige ( s ) Diaphragma bzw. Membran 104 angeordnet. Die Membran 104 verhindert eine Vermischung der im Anodenraum 10a und Katho- denraum 10b befindlichen Flüssigkeit und läßt jedoch einen Stromfluß zu, welcher insbesondere für die Migration von Kationen keinen nennenswerten Widerstand darstellt. Die Membran 104 ist beim vorliegenden Ausführungsbeispiel z.B. in Form einer elektrisch - bzw. ionisch - leitfähigen, aber im wesentlichen flüssigkeitsdichten Polymerelektrolytmembran gebildet. Separation of the same one (s) for cation permeable (s) diaphragm or membrane 104 is arranged. The membrane 104 prevents a mixing of the anode chamber 10a and the cathode. denraum 10b liquid and allows, however, a current flow, which is not a significant resistance in particular for the migration of cations. The membrane 104 is formed in the present embodiment, for example in the form of an electrically or ionically conductive, but substantially liquid-tight polymer electrolyte membrane.
Der Elektrolysereaktor 10 besitzt ferner zwei Einlässe 14, 9 (vgl. auch Fig. 2), über welche einerseits die aus demThe electrolysis reactor 10 further has two inlets 14, 9 (see also Fig. 2), via which on the one hand from the
Mischer Mi austretende Leitung 14 mit der demineralisierten und entsalzten Wasser-/Chloridlösung in den Anodenraum 10a des Reaktors 10, andererseits die aus der Membrananlage 6 austretende Leitung 9 in den Kathodenraum 10b des Reaktors 10 eingespeist wird. Wie wiederum insbesondere aus Fig. 1 und überdies aus Fig. 2 ersichtlich, weist der Elektrolysereaktor 10 ferner zwei Auslässe 103a, 103b auf, über welche die Wasser-/Chloridlösung bzw. das Wasser nach der elektrochemischen Aktivierung aus dem Anodenraum 10a bzw. aus dem Kathodenraum 10b des Reaktor 10 abführbar ist. Während der Auslaß 103a zum Abführen der elektrochemisch aktivierten Lösung mit der erzeugten hypochlorigen Säure bzw. Hypochlorit aus dem Anodenraum 10a des Reaktors 10 - d.h. zum Abführen des sogenannten "Anolyts" - dient, dient der Auslaß 103b zum Abführen des elektrochemisch aktivierten Wassers mit den Hydroxidionen aus dem Kathodenraum 10b des Reaktors 10 - d.h. zum Abführen des sogenannten "Katholyts" . Wie bereits erwähnt, kann dabei der Volumenstrom durch den Kathodenraum 10b des Reaktors 10 kleiner gewählt werden als der durch dessen Anodenraum 10a, um die Menge an in der Regel zumindest größtenteils zu verwerfendem Katholyt möglichst gering zu halten und für eine gute Leitfähigkeit des Wassers auch in dem Kathodenraum 10b zu sorgen. Wie bereits angesprochen, sorgen hierfür insbesondere einerseits die kathodisch erzeugten Hydroxidionen (OH") , andererseits die Natriumionen (Na+) , welche die Membran 104 aus dem Anodenraum permeieren können. Der Anodenraum 10a des Elektrolyse- reaktors 10 kann z.B. mit einem Durchsatz von 60 bis Mixer Mi exiting line 14 with the demineralized and desalinated water / chloride solution in the anode chamber 10a of the reactor 10, on the other hand, the emerging from the membrane unit 6 line 9 is fed into the cathode chamber 10b of the reactor 10. As can be seen in particular from FIG. 1 and moreover from FIG. 2, the electrolysis reactor 10 also has two outlets 103a, 103b, via which the water / chloride solution or the water after the electrochemical activation from the anode chamber 10a or from the Cathode space 10b of the reactor 10 can be discharged. While the outlet 103a is for discharging the electrochemically activated solution containing hypochlorite generated from the anode space 10a of the reactor 10, ie for discharging the so-called "anolyte", the outlet 103b serves to discharge the electrochemically activated water with the hydroxide ions from the cathode space 10b of the reactor 10 - ie for discharging the so-called "catholyte". As already mentioned, the volume flow through the cathode space 10b of the reactor 10 can be selected to be smaller than that of the anode space 10a in order to minimize the amount of catholyte which is to be disposed of, at least for the most part, and also for good conductivity of the water to provide the cathode compartment 10b. As already For this, on the one hand, the cathodically produced hydroxide ions (OH " ) and, on the other hand, the sodium ions (Na + ), which can permeate the membrane 104 out of the anode space, provide the anode space 10a of the electrolysis reactor 10, for example with a throughput of 60 to
140 1/h betrieben, wobei selbstverständlich auch größere Durchsätze möglich sind, indem größere Reaktoren 10  140 1 / h operated, of course, larger throughputs are possible by larger reactors 10th
und/oder mehrere, parallel geschaltete Reaktoren 10 eingesetzt werden. Vorzugsweise fährt der Elektrolysereaktor 10 stets unter Vollast, wobei er bedarfsweise abgeschaltet werden kann und Spitzenlasten über einen weiter unten noch näher erläuterten Speichertank für die elektrochemisch aktivierte, anodische Lösung abgefangen werden können. Wie ferner aus Fig. 1 und 2 ersichtlich, kann gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen sein, daß ein Teil der kathodischen Lösung mit den kathodisch erzeugten Hydroxidionen in den Anodenraum 10a des Reaktors 10 rezirkuliert wird, um für eine ho- he Ausbeute an freiem Chlor in Form der gewünschten Produkte HOC1 oder 0C1" im Anodenraum 10a sicherstellen, ohne daß der pH-Wert dort auf einen Wert unterhalb etwa 2,5 abfällt, bei welchem das Gleichgewicht der hypochlorigen Säure in Richtung des aus den eingangs genannten Gründen unerwünsch- ten, elementaren Chlors (in Form von Chlorgas, Cl2) hin verschoben würde. Wie der Fig. 2 zu entnehmen ist, mündet der Auslaß 103b aus dem Kathodenraum 10b des Elektrolysereaktors 10 zu diesem Zweck zunächst in einen Gasabscheider 15, aus welchem das Abgas, insbesondere Wasserstoff (H2) , über eine optional vorgesehene Abgasleitung 16 abgeführt wird, während der Katholyt selbst, d.h. das aus dem Kathodenraum des Elektrolysereaktors 10 abgeführte basische Wasser, über eine Leitung 17, z.B. in die Kanalisation K eines kommunalen Abwassersystems, abgeführt wird. Die Abgaslei- tung 16 kann beispielsweise mit Verdünnungsluft gespeist werden, welche mit einem explosionsgeschützten Niederdruckgebläse ausgestattet ist (nicht gezeigt) , um den Sicher- heitsanforderungen in Bezug auf gasförmigen Wasserstoff zu genügen. Ein Teil der in dem Gasabscheider 15 anfallenden, Wasserstoffreien Lauge wird hingegen über eine mit einer Dosierpumpe 18 bestückte Leitung 19 in den Mischer Mi rezirkuliert, um für den gewünschten Anteil an OH~-Ionen in der dem Anodenraum 10a des Reaktors 10 zugesetzten Was- ser-/Chloridlösung zu sorgen, welcher ein Absinken des pH- Wertes im Anodenraum 10a des Reaktors 10 auf einen Wert von unterhalb etwa 2,5 zu verhindern vermag. Der Auslaß 103a aus dem Anodenraum 10a des Elektrolysereaktors 10 mündet über z.B. ein Steuerventil (nicht gezeigt) und eine Leitung 20 in einen Speichertank 21, aus welchem der Anolyt bzw. das erzeugte Desinfektionsmittel über eine Leitung 22 der Hauptwasserleitung 1 zum Zwecke der Desin- fektion des hierin geführten Wassers zugesetzt werden kann. Dies geschieht beim vorliegenden Ausführungsbeispiel über eine Dosierpumpe 23, welche das in der Leitung 22 geführte Desinfektionsmittel über einen Mischer M2 der Hauptwasserleitung 1 zudosiert. Die Dosierpumpe 23 kann dabei insbe- sondere in Abhängigkeit des von einem in der Hauptwasserleitung 1 angeordneten Durchflußmessers 24 ermittelten Volumenstroms an Wasser betrieben sein, um dem Wasser stets die erforderliche Menge an Desinfektionsmittel zuzusetzen. Zur Kontrolle der Parameter des anodisch erzeugten Desin- fektionsmittels , wie dessen pH-Wert, dessen Redoxpotential, dessen Gehalt an freiem Chlor etc., können in der den Anodenraum 10a des Reaktors 10 mit dem Speichertank 21 verbindenden Leitung 20 ferner entsprechende Sensoren 25 vor- gesehen sein. Die erhaltenen Meßwerte können ferner selbst verständlich in die Steuerungs-/Regelungsparameter, wie Elektrodenstrom und -Spannung, Menge an zugesetzter Chloridlösung, Volumenströme durch den bzw. Verweilzeiten in dem Elektrolysereaktor 10 etc., verwendet werden. and / or a plurality of reactors 10 connected in parallel. Preferably, the electrolysis reactor 10 always runs at full load, where it can be switched off as needed and peak loads can be intercepted via a storage tank for the electrochemically activated, anodic solution explained in more detail below. As can also be seen from FIGS. 1 and 2, it can be provided according to an advantageous embodiment of the method according to the invention that a portion of the cathodic solution with the cathodically generated hydroxide ions is recirculated into the anode space 10a of the reactor 10 in order to obtain a high yield ensure free chlorine in the form of the desired products HOC1 or 0C1 " in the anode compartment 10a, without the pH dropping below a value below about 2.5 at which the equilibrium of the hypochlorous acid is undesirable in the direction of the abovementioned reasons. th, elemental chlorine (in the form of chlorine gas, Cl 2) towards would be moved. 2 it can be seen from FIG., the outlet 103b from the cathode compartment ends 10b of electrolytic reactor 10 for this purpose, initially in a gas separator 15 from which the exhaust gas , in particular hydrogen (H 2 ), is discharged via an optionally provided exhaust pipe 16, while the catholyte itself, ie the cathode compartment of the electrolysis reactor 10 discharged basic water, via a line 17, for example, in the sewer K a municipal sewage system, is discharged. For example, exhaust line 16 may be fed with dilution air that is equipped with an explosion-proof low-pressure blower (not shown) to meet the safety requirements with respect to gaseous hydrogen. A portion of the costs incurred in the gas separator 15, hydrogen-free liquor is recirculated, however, a equipped with a dosing pump 18 line 19 into the mixer Mi to in the anode compartment 10a of the reactor 10 added to the desired proportion of OH ~ ion water ser - / Chloride solution, which is able to prevent a decrease in the pH in the anode chamber 10a of the reactor 10 to a value of below about 2.5. The outlet 103a from the anode chamber 10a of the electrolysis reactor 10 opens via eg a control valve (not shown) and a line 20 into a storage tank 21, from which the anolyte or the disinfectant produced via a line 22 of the main water line 1 for the purpose of disinfection of the water carried herein. This is done in the present embodiment via a metering pump 23, which metered in the line 22 guided disinfectant via a mixer M 2 of the main water line 1. The metering pump 23 may in particular be operated depending on the volume flow of water determined by a flow meter 24 arranged in the main water line 1 in order to always add the required amount of disinfectant to the water. In order to control the parameters of the anodically produced disinfectant, such as its pH, its redox potential, its free chlorine content, etc., appropriate sensors 25 may also be provided in the conduit 20 connecting the anode compartment 10a of the reactor 10 to the storage tank 21. be seen. The measured values obtained can, of course, also be used in the control parameters, such as electrode current and voltage, amount of added chloride solution, volume flows through or residence times in the electrolysis reactor 10, etc.
Wie bereits erwähnt, umfaßt die Vorrichtung gemäß Fig. 2 des weiteren eine nicht zeichnerisch dargestellte Steuerung, wie sie beispielsweise aus dem eingangs erwähnten Stand der Technik gemäß WO 2007/093395 A2 und EP 2 191 72 AI als solche bekannt ist. As already mentioned, the device according to FIG. 2 further comprises a control (not shown in the drawing), as known for example from the prior art mentioned in WO 2007/093395 A2 and EP 2 191 72 A1 as such.
Das auf die vorstehend beschriebene Weise aus VE-Wasser als Rohwasser erzeugte Desinfektionsmittel in Form der anodisch erzeugten elektrochemisch aktivierten Lösung (Anolyt) besitzt z.B. bei einem pH-Wert im Bereich von 3,0 und einem Redoxpotential im Bereich von 1340 mV (vs. SHE bzw. vs . NHE, Standard- bzw. Normalwasserstoffelektrode ) eine Konzentration an freiem Chlor im Bereich von etwa 25 mg/1 bis etwa 1000 mg/1, entsprechend einer Konzentration an desinfektiös besonders wirksamer hypochloriger Säure (HC10) im Bereich von etwa 18,5 mg/1 bis etwa 706 mg/1. The disinfectant in the form of the anodically produced electrochemically activated solution (anolyte), which has been prepared in the manner described above from demineralised water as raw water, has e.g. at a pH in the range of 3.0 and a redox potential in the range of 1340 mV (vs. SHE vs. vs NHE, standard and / or normal hydrogen electrode), a free chlorine concentration in the range of about 25 mg / 1 to about 1000 mg / l, corresponding to a concentration of particularly effective hypochlorous acid (HC10) in the range of about 18.5 mg / l to about 706 mg / l.

Claims

Pa entansprüche Pa entansprüche
Verfahren zur Herstellung eines hypochlorige Säure (H0C1) und/oder Hypochlorit (0C1") enthaltenden Desinfektionsmittels durch elektrochemische Aktivierung einer verdünnten Wasser-/Chloridlösung, indem Wasser eine Chloridlösung zugesetzt und die solchermaßen erhaltene verdünnte Wasser-/Chloridlösung im Anodenraum (10a) eines Elektrolysereaktors (10), welcher wenigstens einen Kathodenraum (10b) mit einer Kathode (102) und wenigstens einen, hiervon durch eine Membran (104) räumlich getrennten Anodenraum (10a) mit einer Anode (101) aufweist, durch Anlegen einer elektrischen Spannung an die Elektroden (101, 102) mit einem elektrischen Strom beaufschlagt wird, um das Chlorid zumindest teilweise in hypochlorige Säure und/oder Hypochlorit zu überführen, dadurch gekennzeichnet, daß die Wasser-/Chloridlösung nur dem Anodenraum (10a) des Elektrolysereaktors (10) aufgegeben wird, während der Kathodenraum (10b) des Elektrolysereaktors (10) mit nicht mit Chloridionen versetztem Wasser gespeist wird. Process for the preparation of hypochlorous acid (H0C1) and / or hypochlorite (0C1 " ) containing disinfectant by electrochemical activation of a dilute water / chloride solution by adding a chloride solution to water and dilute water / chloride solution thus obtained in the anode compartment (10a) of an electrolytic reactor (10), which has at least one cathode space (10b) with a cathode (102) and at least one anode space (10a) spatially separated therefrom by a membrane (104) with an anode (101) by applying an electrical voltage to the electrodes (101, 102) is supplied with an electric current to at least partially convert the chloride into hypochlorous acid and / or hypochlorite, characterized in that the water / chloride solution is applied only to the anode space (10a) of the electrolysis reactor (10), while the cathode compartment (10b) of the electrolytic reactor (10) is treated with water not mixed with chloride ions r is fed.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das eingesetzte Wasser enthärtet und/oder deminerali- siert wird. Process according to Claim 1, characterized in that the water used is softened and / or demineralized.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Anodenraum (10a) des Elektrolysereaktors (10) mit der Wasser-/Chloridlösung aus enthärtetem und/oder de- mineralisiertem Wasser und der Kathodenraum (10b) des Elektrolysereaktors (10) mit enthärtetem und/oder demi- neralisiertem Wasser gespeist werden. A method according to claim 2, characterized in that the anode chamber (10a) of the electrolysis reactor (10) with the water / chloride solution of softened and / or demineralized water and the cathode compartment (10b) of the electrolytic reactor (10) with softened and / or demi- Neralized water to be fed.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Trennung des Anodenraumes (10a) von dem Kathodenraum (10b) des Elektrolysereaktors (10) eine für Kationen durchlässige Membran (104), insbesondere eine Kationenaustauschermembran, verwendet wird. Process according to one of Claims 1 to 3, characterized in that a cation-permeable membrane (104), in particular a cation-exchange membrane, is used to separate the anode space (10a) from the cathode space (10b) of the electrolysis reactor (10).
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Trennung des Anodenraumes (10a) von dem Kathodenraum (10b) des Elektrolysereaktors (10) eine Polymerelektrolytmembran (104), verwendet wird Method according to one of Claims 1 to 4, characterized in that a polymer electrolyte membrane (104) is used to separate the anode space (10a) from the cathode space (10b) of the electrolysis reactor (10)
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Kathodenraum (10b) des Elektrolysereaktors (10) mit einem geringeren Volumenstrom an Wasser gespeist wird als der Volumenstrom an verdünnter Wasser-/Chloridlösung durch den Anodenraum (10a) des Elektrolysereaktors (10) . Method according to one of claims 1 to 5, characterized in that the cathode space (10b) of the electrolysis reactor (10) is fed with a lower volume flow of water than the volume flow of dilute water / chloride solution through the anode space (10a) of the electrolysis reactor (10 ).
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Volumenstrom durch den Anodenraum (10a) des Elektrolysereaktors (10) wenigstens das zweifache, insbesondere wenigstens das dreifache, vorzugsweise wenigstens das vierfache, des Volumenstromes durch den Kathodenraum (10b) des Elektrolysereaktors (10) beträgt. A method according to claim 6, characterized in that the volume flow through the anode space (10a) of the electrolysis reactor (10) is at least twice, in particular at least three times, preferably at least four times, the volume flow through the cathode space (10b) of the electrolysis reactor (10) ,
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil des Volumenstroms des aus dem Kathodenraum (10b) des Elektrolysereaktors (10) austretenden, Hydroxidionen (OH~) enthaltenden Wassers in den Anodenraum (10a) des Elektrolysereaktors (10) bzw. in die diesem zugesetzte Wasser-/Chloridlösung re- zirkuliert wird. A method according to any one of claims 1 to 7, characterized in exiting (10) that a part of the volume flow of from the cathode chamber (10b) of the electrolytic reactor, hydroxide ions (OH-) containing water into the anode chamber (10a) of the electrolytic reactor (10) or into the water / chloride solution added to this is circulated.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der im Kathodenraum (10b) des Elektrolysereaktors (10) erzeugte Wasserstoff in dem aus dem Kathodenraum (10b) austretenden Wasser entfernt wird, bevor dieses in den Anodenraum (10a) des Elektrolysereaktors (10) bzw. in die diesem zugesetzte Wasser-/Chloridlösung rezirkuliert wird. Method according to claim 8, characterized in that the hydrogen generated in the cathode space (10b) of the electrolysis reactor (10) is removed in the water emerging from the cathode space (10b) before it enters the anode space (10a) of the electrolysis reactor (10). is recirculated in the added this water / chloride solution.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der pH-Wert des im Anodenraum (10a) des Elektrolysereaktors (10) erzeugten Desinfektionsmittels auf einen Wert zwischen 2,5 und 6, insbesondere zwischen 2,5 und 5, vorzugsweise zwischen 2,5 und 4, gesteuert wird. Method according to one of claims 1 to 9, characterized in that the pH of the disinfectant produced in the anode chamber (10a) of the electrolysis reactor (10) to a value between 2.5 and 6, in particular between 2.5 and 5, preferably between 2.5 and 4, is controlled.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das eingesetzte enthärtete und/oder demineralisierte Wasser eine Härte zwischen 0 und 4 dH, insbesondere zwischen 0 und 2 dH aufweist. Method according to one of claims 2 to 10, characterized in that the used softened and / or demineralized water has a hardness between 0 and 4 dH, in particular between 0 and 2 dH.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die spezifische elektrische Leitfähigkeit des eingesetzten Wassers auf einen Wert von höchstens 350 pS/cm, insbesondere höchstens 150 S/cm, vorzugsweise höchstens 100 S/cm, eingestellt wird. Method according to one of claims 2 to 11, characterized in that the specific electrical conductivity of the water used to a value of at most 350 pS / cm, in particular at most 150 S / cm, preferably at most 100 S / cm, is set.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß zur Enthärtung oder Demineralisie- rung des eingesetzten Wassers ein Membranverfahren, insbesondere Umkehrosmose, Mikro-, Nano- oder Ultrafil- tration, eingesetzt wird. Process according to one of Claims 2 to 12, characterized in that a membrane process, in particular reverse osmosis, micro, nano or ultrafiltration, is used for softening or demineralizing the water used. tration.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Chloridkonzentration der dem Anodenraum (10a) des Elektrolysereaktor (10) zugesetzten, verdünnten Wasser-/Chloridlösung auf einen Wert von höchstens 20 g/1, insbesondere zwischen 0,1 und14. The method according to any one of claims 1 to 13, characterized in that the chloride concentration of the anode chamber (10 a) of the electrolysis reactor (10) added, dilute water / chloride solution to a value of at most 20 g / 1, in particular between 0.1 and
10 g/1, vorzugsweise zwischen 0,1 und 5 g/1 gesteuert wird . 10 g / 1, preferably between 0.1 and 5 g / 1 is controlled.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass im Anodenraum (10a) des Elektrolysereaktors (10) ein Desinfektionsmittel mit einem Gehalt an freiem Chlor in Form von hypochloriger Säure und/oder Hypochlorit zwischen 20 mg/1 und 1000 mg/1 erzeugt wird. 15. The method according to any one of claims 1 to 14, characterized in that in the anode chamber (10a) of the electrolysis reactor (10) a disinfectant containing free chlorine in the form of hypochlorous acid and / or hypochlorite between 20 mg / 1 and 1000 mg / 1 is generated.
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