DE2708240A1

DE2708240A1 - Verfahren und vorrichtung zur wasserenthaertung

Info

Publication number: DE2708240A1
Application number: DE19772708240
Authority: DE
Inventors: Herbert Nischik; Ferdinand V Prof Dr Sturm
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 1977-02-25
Filing date: 1977-02-25
Publication date: 1978-08-31

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Wasserenthärtung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Inthärtung von Wasser sowie eine Vorrichtung zur Durchftihrung dieses Verfahrens.
Je nach den natürlichen Gegebonheiten onthält (Leitungs-) Wasser, d.h. Fluß- oder Quellwasser. nehr oder weniger große Mengen an Calcium- und Magnesiumselzen, insbesondere Calciumbicarbonat (Calciumhydrogencarbonat) und -sulfat. Ein an Calciumsalzen reiches Wasser wird als "hartes Wasser" bezeichnet, während calciumfreies oder -armes Wasser "weiches Wasser" ist. Die Härte das Wassers wird in sogonannton Härtegradon (°dH bzw. °d) gemessen, unter denen die Anzahl mg CaO pro 100 nl Wasser verstanden wird.
Die Konzentration des Wassers an Calciumbicarbonat kann durch Tomperaturerhöhung beeinflußt werden: Bein Kochen von harten Wasser fällt das Calclumbicarbonat als Calciumcarbonat aus (Ca2+ + 2 HCO3 = CaCO3 + H2O + CO2). Auf diese Weise verschwindet ein Teil der Härte, die sogonannte tomporäre Härte.
Die zurückbleibonde, auf dem Gehalt an Calciumsulfat beruhende Härte des Wassers ist die sogononnte permanente Härte. Temporäre und permanonte Härte orgeben zusammon die "Gesanthärte" des Wassers.
Zine Inthärtung des Wassers ist fur viele Zwecke erforderlich.
So nacht sich die Härte des Wassers bei vielen Geräten, wie Dentalgeräton, Geschirrspülern und Klisaanlagen, störend bomerkbar. Es kommt hierbei au loch durch ausgefällte Bestandteile, insbesondere CaCO3, zu Verkrustungen und Verstopfungen. Die Wasserenthärtung erfolgt bislang entweder durch Destillation, durch chomische ausfällung der störenden Ionen (mit Soda oder Natriumphosphat) oder durch Bindung der Ionon mittels Ionenaustauscher. Die genannten Verfahren sind aber sehr aufwendig, die chemische Aufbereitung ist darüber hinaus stets noch nit einen gewissen Verbrauch an Chemikalien verbunden, da auch Ionenaustauschen zur Regenerierung Chemikalion erfordern. Infolge des erforderlichen hohen Aufwandes wird deshalb vielfach sogar auf eine Äufbereitung verzichtet. So werden beispielsweise die durch Kalk verstopften Bohrköpfe von Dontalgeräten verworfen, obwohl sie relativ teuer sind, da eine Aufbereitung des Wassers autwondiger wäre.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein einfaches und insbesondere auch wartungsarmes Verfahren zur Enthärtung von Wasser sowie eine entsprechende Vorrichtung anzugeben und so die nit den bislang verwendeten Methoden verbundenen Nachteile zu vermeiden.
Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß das Wasser über ein elektronisch leitendes Material geleitet wird und daß das elektronisch leitende Material auf ein negatives Potential gegenüber einer nit den Wasser in Beruhrung stehenden Gegenelektrode gebracht wird.
Das erfindungsgem@ße Verfahron kann als elektrochemische Wasserenthärtung bezeichnet werden. Bei diesen Verfahren wird durch normales Leitungswasser ein Gleichstrom geschickt, wobei im geringen Ausmaß eine Wasserelektrolyse erfolgt. Dabei wird ii Bereich des elektronisch leitenden Materials, d.h. der Kathode, infolge des Verbrauchs an Wasserstoffionen der pH-Wert des Wassers geringfügig erhöht. aufgrund dieser Erhöhung des pH=Wertes kommt es dann zu einer Verschiebung des Gleichgewichtes zwischen den leicht löslichen Calciumbicarbonat Ca(HC03)2 und dem schwer löslichen Calciumcarbonat Ca(C03)2, so daß das Calciuncarbonat ausfällt: Auf diese Weise kann mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens die temporäre Härte des Wassers, d.h. die Carbonathärte, beseitigt werden. Falls der Calciumcarbonatniederschlag stören sollte, kann nach der Enthärtung vorteilhaft eine mechanische Reinigung des Wassers vorgesehen werden.
Eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens weist vorteilhaft folgenden Aufbau auf: In einen Durchlaufgefäß für das Wasser ist ein elektronisch leitendes Material angeordnet; es sind Mittel zur Vorgabe eines negativen Potentials auf das elektronisch leitende Material vorgesehen; im Anschluß an das Durchleufgefäß, d.h. strönungsnlßig hinter den Durchlaufgefäß, ist eine positive Gegenelektrode angeordnet. In der Nähe dieser positiven Gegenelektrode, d.h. der Anode, erfolgt - aufgrund des Verbrauchs an Hydroxylionen (2 OH - 1/2 02 + H20 + 2 e-) - eine Erniedrigung des PH-Wertes, wodurch die von der Wirkung der Kathode herrührende Erhöhung zumindest zum Teil wieder ausgeglichen wird.
Insgesamt ergibt sich somit bei der elektrochomischen Wasserenthartung entsprechend den erfindungsgenäßen Verfahren folgende Bruttoreaktion: Die entwickelten Mengen an Wasserstoff und Sauerstoff sind dabei - wegen des niedrigen, durch das Wasser fließenden Strones -sehr klein, so daß sich dadurch keine Schwierigkeiten ergeben In übrigen bleiben diese geringen Gasmengen auch weitgehend in Wasser gelöst. Dies gilt auch für das Kohlendioxid, so daß das Wasser nach der Enthärtung im allgemeinen einen pH-Wert < 7 aufweist, d.h. schwach sauer reagiert Sollte dies unerwUnscht sein, so kann das gelöste Kohlendioxid durch eine Temperaturerhöhung aus den Wasser ausgetrieben werden.
Während des Betriebs der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht zwischen der Kathode, d.h. den elektronisch leitenden Material, und der positiven Gegenelektrode, der Anode, vorteilhaft eine Potentialdifferenz etwa zwischen 2 und 30 V. Die Jeweils verwendet Potentialdifferenz ist dabei abhängig von verschiedenen Faktoron, wie Geometrie des Durchlaufgefäßes, Elektrodengröße, Elektrodenabstand und Leitfähigkeit des Wassers.
Das elektronisch leitende Material, d.h. das Kathodennaterial, weist vorteilhaft eine große Oberfläche auf. In diesen Fall ergibt sich nämlich ein weiter Bereich, in welchen der pH-Wert des Wassers erhöht wird, und damit eine hohe Wirksankeit bei der Wasserenthärtung. So wird das elektronisch leitende Material bevorzugt in For von Spänen, Platten oder Rohren eingesetzt.
Das Kathodenmaterial kann ein Edelnetall, wie Platin, Palladium, Silber und Gold, Aluminium oder Graphit sein; vorzugsweise wird jedoch Kupfer, Edelstahl oder eine Aluniniun-Kupfer-Legierung, wie Duraluniniun, verwendet. Derartige Legierungen haben den Vorteil, daß sie unter den Betriebsbedingungen geringfügig korrodieren, wobei sie Wasserstoffionen verbrauchen Damit tragen sie einerseits in Bereich der Kathode zu einer weiteren Erhöhung des pH-Wertes und damit zu einer verbesserten Calciuncarbonatabscheidung bei, andererseits wird aber auch - insgesamt betrachtet - der pH-Wert des Wassers erhöht und somit der durch das in Wasser gelöste Kohlendioxid bedingten Erniedrigung des pH-Wertes ontgegengowirkt.
Als Anodonmaterial kann Edelstahl, Kohle, Graphit oder ein Edelnotfall dienen. Vorzugsweise besteht die Anode dabei aus Platin.
Die Anode findet in übrigen insbesondere in Form eines Netzes oder einer Drahtwendel Verwendung.
Anhand einiger Ausführungsbeispiele und einer Figur soll die Erfindung noch näher erläutert werden.
In der Figur ist eine besonders bevorzugte Auaführungsform einer Vorrichtung zur Durchfühng des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Wasserenthärtung dargestellt. In ein Durchlaufgefäß 1, das ein Volumen von etwa 350 nl besitzt, tritt von unten durch eine Leitung 2 das zu enthärtende Wasser ein. Das Wasser durchläuft das Durchlaufgefäß und verläßt es an oberen Ende durch eine Leitung 3, um von dort eine Verbraucher zugeführt zu werden Das Durchlaufgefäß 1 ist mit Metallspänen 4 gefüllt, die aus einer AlCuMgPb-Legierung bestehen (Menge: 30 g). Die Metallspäne 4 sind nittels eines Golddrahtes 5 an den Minuspol eines Spennungskonstanters angeschlossen. Eine Gegenelektrode 6 in Form einer Wendel aus Platindraht ist mit den Pluspol des Spannungskonstanters verbunden. Da hierzu ein Platindraht von 60 n Länge und 0,3 mm Durchmesser genügt, wird für die Anode lediglich eine Platin enge von 0,09 g benötigt Die Gegenelektrode 6 ist strömungsmäßig hinter den Durchlaufgefäß 1 in der Wasseraustrittsleitung 3 angeordnet. Zwischen der Gegenelektrode 6 und den Metallspänen 4, d.h. den Kathodenmaterial, ist ein Filter 7 in Forn einer Glasfritte vorgesehen, die das im Durchlaufgeflß 1 abgeschiedene Calciumcarbonat zurückhält.
Die das Durchlaufgefäß pro Stune durchströmende Wassermenge betrug ca. 45 al, d.h. es lag eine Verweilzeit von annähernd 8 Stunden vor. Bei einer Ausgangshärte von 13 °dH konnte dabei das Wasser bis auf 2 °dH und weniger enthärtet werden. Die Betriebsspannung betrug 24 V, wobei lediglich ein Strom von ca 3 mA durch das Durchlaufgefäß floß. Die Enthärtung des Wassers, die bei Raumtemperatur orfolgte (ca. 22 °C), wurde dabei über einen Zeitraun von weit mehr als 100 Tagen hin durchgeführt.
Weitere Versuche zeigten, daß es vorteilhaft ist, bei Rauntenperatur zu arbeiton: Mit steigender Temperatur ist das das Durchlaufgefäß verlassende Wasser nämlich zunehnend harter Anstelle einer Aluniniun-Kupfer-Legierung (Dural) können nit ähnlichen Erfolg auch andere Kathodenmaterialien verwendet werden, beispielsweise Aluniniun- oder V2A-Bleche. Dabei kann als Anodennaterial auch elcktrographitierte Kunstkohle oder Spektralkohle dienen. Ferner zeigte es sich, daß auch sehr hartes Wasser beträchtlich enthärtet werden kann. So konnte nit einer Kombination aus Duralspänen als Kathodenmaterial und einen V2A-Blech als anode ein Wasser mit einer ausgangshärte von 40 °dH bis auf ca. 13 °dH enthärtet werden.
8 Patentansprüche 1 Figur L e e r s e i t e

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e 1. Verfahren zur Enthärtung von Wasser, dadurch gekennzeichnet, daß das Wasser über ein elektronisch leitendes Material geleitet wird und daß das elektronisch leitende Material auf ein negativon Potential gegenüber einer mit den Wasser in Berührung stehenden Gegenelektrode gebracht wird.
2. Verfahr.n nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Wasser nach der Enthärtung mechanisch gereinigt wird.
3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie ein Durchlaufgefäß (1) für das Wasser aufweist, daß in Durchlaufgefäß (1) ein elektronisch leitendes Material (4) vorhanden ist, daß Mittel (5) zur Vorgabe eines negativen Potentials auf das elektronisch leitende Material (4) vorgesehen sind und daß im Anschluß an das Durch laufgefäß (1) eine positive Gegenelektrode (6) angeordnet ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwlschon den elektronisch leitenden Material (4) und der Gegenelektrode (6) eine Potentialdifferenz etwa zwischen 2 und 30 V besteht.
5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß das elektronisch leitende Material (4) eine große Oberfläche aufweist.
6. Vorrichtung nach einen der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das elektronisch leitende Material (4) Kupfer, Edelstahl oder eine Aluminium-Kupfer-Legierung ist.
7. Vorrichtung nach einen oder mehreren der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Gegenelektrode (6) aus Platin besteht.
8. Vorrichtung nach einen oder mehreren der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den elektronisch leitenden Material (4) und der Gegenelektrode (6) ein Filter (7) vorgesehen ist.