DE19636171C2

DE19636171C2 - Vorrichtung für die Wasserelektrolyse

Info

Publication number: DE19636171C2
Application number: DE19636171A
Authority: DE
Inventors: Cheng-Li Liu
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1996-08-29
Filing date: 1996-09-06
Publication date: 1999-07-08
Anticipated expiration: 2016-09-07
Also published as: US5788820A; DE19636171A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung für die Wasserelektrolyse. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung für die Wasserelektrolyse, die basisches und saures elektrolysiertes Wasser erzeugt.

Mit der Entwicklung der Zivilisation ist die Umwelt in neuerer Zeit durch industrielle, kommerzielle und private Abfälle ernsthaft verschmutzt worden. Insbesondere sind auch die Wasserressourcen durch verschiedene giftige Abfälle außerordentlich verunreinigt worden, so daß unbehandeltes Wasser nicht mehr wie früher direkt verbraucht werden kann.

Um reineres und sichereres Wasser erzeugen zu können, werden verschiedene Reinigungsgeräte und -verfahren angewendet. Diese Geräte und Verfahren beruhen auf Verfahren zur Filtrierung, Sterilisation, Absorption (Aktivkohle), Destillation oder Ionenaustausch. Alle diese Geräte und Verfahren sind jedoch kostspielig und ineffizient und damit unökonomisch.

Seit kurzem steht ein neues Wasser-Reinigungsgerät zur Verfügung. Dieses Gerät beruht auf dem Prinzip der Elektrolyse in Kombination mit einer Filtrierung und umfaßt im wesentlichen einen Isolierbehälter, zwei Elektroden (Anode und Kathode) und einen Dialysefilm, um die zwei Elektroden voneinander zu trennen und den Behälter in zwei Teile zu unterteilen. Das Wassermolekül dissoziiert in Wasserstoffionen H⁺ (Kationen) und Hydroxidionen OH^- (Anionen). Bei reinem Wasser sind die Dissoziationskonstanten sowohl für die Wasserstoffionen H⁺ als auch für die Hydroxidionen OH^- 10^-7. Dies bedeutet, daß der pH- Wert für reines Wasser 7 beträgt. Im allgemeinen existieren Wassermoleküle nicht in Form von Einzelmolekülen. Infolge der Wasserstoff-Brückenbindung agglomerieren die Wassermoleküle in der Natur, um Cluster zu bilden. Ein Cluster von Was sermolekülen enthält immer 6 bis 15 Wassermoleküle.

Auch verbinden sich Wasserstoffionen (H⁺) unter Bildung von Hydroniumionen, wie H₃0⁺, H₇O₃ ⁺, etc. mit dem Wassercluster. Bei der Elektrolyse nehmen die Wasserstoffionen (H⁺) ein Elektron auf und bilden Wasserstoffgas (H₂). Die Reaktionsformel ist:

2H⁺(oder 2H₃O⁺) + 2_e- → H₂ + (2H₂O) (I)

Die Hydroxidionen verlieren ein Elektron unter Bildung von Sauerstoff und Wasser. Die Reaktionsformel ist:

4OH^-(oder 4H₃O₂ ^-) - 4_e- → 2H₂O (oder 6H₂O) + O₂(II)

Gemäß dem neuen Wasser-Reinigungsgerät für die Wasserelektrolyse wird das Wasser durch den Dialysefilm, der Wasserstoffionen (H⁺) und Hydroxidionen (OH^-) am freien Durchgang hindern kann, in zwei Teile aufgeteilt. Im Verlauf der Elektrolyse laufen die Reaktionen nach den Formeln (I) und (II) simultan ab, und Wasserstoff und Sauerstoff werden kontinuierlich erzeugt. Wasserstoff und Sauerstoff können mit einem geeigneten Instrument gesammelt werden.

An der Anode ist die Elektrolysereaktion eine Oxydation der Formel (II). Um die Formeln zu vereinfachen, werden alle Hydronium- bzw. Oxoniumionen (H₃O⁺, H₇O₃ ⁺, H₃O₂ ^- oder H₇O₄ ^-) als H⁺ oder OH^- dargestellt:

H₂O-→ H⁺ + OH^-
4OH^-- 4_e- → O₂ + 2H₂O

Unter diesen Bedingungen steigt die Konzentration von H+ im Verlaufe der Elektrolyse, was bewirkt, daß der pH-Wert sinkt. Das bedeutet, daß das Wasser, das sich in dem die Anode enthaltenden Teil befindet, saures elektrolysiertes Wasser ist. Wenn zudem andere Anionen vorhanden sind, wie z. B. Chlorid (Cl^-), Fluorid (F^-) oder Zyanid (CN^-), führt die Elektrolyse zur Oxydation dieser Anionen, so daß sie vom Wasser abgegeben werden können. Die Oxydationsreaktion für die Anionen ist am Beispiel des Chlorids (Cl^-):

2Cl^-- 2_e- -→ Cl₂

An der Kathode ist die Elektrolysereaktion eine Reduktion der Formel (I):

H₂O -→ OH^- + H⁺
2H⁺ + 2_e- -→ H₂

Unter diesen Bedingungen steigt die Konzentration der Hydroxid- Ionen im Verlaufe der Elektrolyse, was bewirkt, daß der pH-Wert steigt. Dies bedeutet, daß das Wasser, welches sich in dem die Kathode enthaltenden Teil befindet, alkalisches elektrolysiertes Wasser ist. Wenn außerdem andere Kationen vorhanden sind, wie z. B. Ionen von Erdalkalimetallen, werden diese Kationen durch die Elektrolyse reduziert und ausgefällt. Diese Niederschläge können dann aus dem Wasser nach herkömmlicher Art und Weise abfiltriert werden. Die Reduktionsreaktion für die Kationen ist am Beispiel des Ca²⁺:

Ca²⁺ + 2_e- → Ca.

Der Dialysefilm ist ein poröser Film und meist aus Silikaten her gestellt. Im Gebrauch werden die Poren des Dialysefilms leicht verstopft, oder der Film als solcher wird leicht erodiert und ver liert seine Trenneigenschaften. Der Dialysefilm muß daher oft er setzt werden, um die Dialyseeigenschaften zu erhalten.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung für die Wasserelektrolyse zur Erzeugung von basischem elektrolysiertem Wasser und saurem elektrolysiertem Wasser zur Verfügung zu stel len.

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist, eine Vorrichtung für die Wasserelektrolyse zur Erzeugung von basischem elektrolysiertem Wasser und saurem elektrolysiertem Wasser, bei welcher eine Schicht eines dialytischen Films zwischen einer Anode und einer Kathode gebildet wird.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung für die Wasserelektrolyse umfaßt zwei voneinander getrennt an zwei Enden eines Isolierbehälters angeordnete Zapfen, wobei eine hohlzylindrische Kathode und eine hohlzylindrische Anode getrennt voneinander jeweils mit einem der zwei Zapfen verbunden sind, die Kathode und die Anode koaxial zu dem Behälter sind, die Anode überlappend innerhalb der Kathode aufgenommen ist, Durchlässe in der Seitenwand der Anode und der Kathode vorgesehen sind, eine Gleichstromquelle an die zwei Zapfen angeschlossen ist, ein Antrieb zum separaten Drehen der zwei Zapfen sowie, zwei Einlaßöffnungen für das basische elektrolysierte Wasser an dem anderen Ende des Isolierbehälters vorgesehen sind und eine Auslaßöffnung für saures elektrolysiertes Wasser an einer mit einem Abflußrohr versehenen, außerhalb des Zapfens angeordneten Wassersammelkammer vorgesehen ist.

Eine Gleichstromquelle wird mit den zwei Zapfen so verbunden, daß Anode und Kathode geladen werden. Ein Antrieb ist vorgesehen, um die zwei Zapfen unabhängig voneinander zu drehen, um dadurch die Anode und die Kathode zu drehen. Die Rotationsgeschwindigkeit der Anode unterscheidet sich von der der Kathode, und die Differenz der Rotationsgeschwindigkeiten zwischen Anode und Kathode induziert, daß sich zwischen diesen eine Schicht aus einem dialytischen Film bildet. Zwei Einlaß- und Auslaßöffnungen sind in den zwei jeweiligen Enden des Behälters vorgesehen.

Zwar war bereits aus dem Abstract zu JP 51-126381A (nach Derwent-Zitat) eine Vorrichtung zur elektrolytischen Behandlung von Abwasser bekannt, bei dem coaxial in einer feststehenden Kathode innerhalb einer Zelle eine rotierende Anode angeordnet war. Diese Vorrichtung diente jedoch anderen Zwecken und war für die Wasserelektrolyse, wie sie hier durchgeführt wird, nicht geeignet. Erst durch die Einführung zahlreicher Durchlässe in der Seitenwand der Anode und der Kathode und die Möglichkeit, Anode und Kathode getrennt voneinander in entgegengesetztem Drehsinn rotieren zu lassen, wie bei der vorliegenden Erfindung gelehrt, wird die Ausbildung des dialytischen Films ermöglicht, der für den Elektrolyseerfolg wesentlich ist.

Weitere Aufgaben, Vorteile und neue Merkmale der Erfindung werden aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen deutlich werden.

Fig. 1 ist eine perspektivische Ansicht der Vorrichtung für die Wasserelektrolyse nach der vorliegenden Erfindung.

Fig. 2 ist eine Querschnittsansicht der vorliegenden Erfindung, geschnitten längs entlang der Zapfenachse.

Fig. 3 ist eine Querschnittsansicht der vorliegenden Erfindung, geschnitten radial entlang der Linie 3 aus Fig. 2.

Fig. 4 ist eine Querschnittsansicht längs durch ein anderes Ausführungsbeispiel nach der vorliegenden Erfindung, bei dem zwei Lagen einer Anode und einer Kathode alternierend in einem Isolierbehälter angeordnet sind.

Es wird Bezug genommen auf Fig. 1. Die vorliegende Erfindung für die Wasserelektrolyse umfaßt zwei Zapfen 20 und 30, die getrennt voneinander mit den jeweiligen beiden Enden eines Isolierbehälters 10 verbunden sind. Eine zylindrische Kathode 31 und eine zylindrische Anode 21 sind voneinander getrennt und jeweils mit den zwei Zapfen 30 bzw. 20 verbunden. Ferner sind die Kathode 31 und die Anode 21 koaxial zu dem Behälter 10 angeordnet. Kupferringe 23 und 33 und Elektrobürsten 24 und 34 sind getrennt mit den Zapfen 20 bzw. 30 verbunden, so daß eine Gleichstromquelle über die Kupferringe 23 und 33 bzw. Elektrobürsten 24 und 34 an die Anode 21 und die Kathode 31 angeschlossen werden kann. Ein Paar Riemenscheiben 22 und 32 ist gesondert auf den jeweiligen distalen Enden der Zapfen 20 und 30 angeordnet, um einen Antrieb 40, wie z. B. einen Motor, anzuschließen. Die Rotationsgeschwindigkeiten der Anode 21 und der Kathode 31 sind aufgrund der Riemenscheiben 22 und 32, die unterschiedlichen Radius haben, und verschiedener Richtungen des Treibriemenpaares 42 unterschiedlich.

Fig. 2 ist eine Querschnittsansicht der vorliegenden Erfindung, geschnitten längs entlang der Achse der zwei Zapfen 20 und 30. Wie zu sehen, sind zwei Zapfendurchlässe 11, zwei Lager 12 und zwei Dichtungsringe 13 an den zwei jeweiligen Enden des Isolierbehälters 10 angeordnet, um die zwei Zapfen 20 und 30 zu lagern. Ferner sind zwei Einlaßöffnungen 14 an einem (vorzugsweise dem oberen) Ende des Isolierbehälters 10 angeordnet und zwei Auslaßöffnungen 15 sind an dem anderen Ende des Isolierbehälters 10 angeordnet, um Wasser einzufüllen und elektrolysiertes Wasser abzunehmen. Die Anode 21 ist mit dem Zapfen 20 verbunden und in Form eines Hohlzylinders ausgebildet. Eine erste Anzahl von Durchlässen ist homogen verteilt in der Seitenwand von Anode 21 vorgesehen, so daß Wasser frei durch diese durchfließen kann. Obwohl die Größe der Durchlässe in der Seitenwand der Anode 21 für die vorliegende Erfindung nicht kritisch ist, bewegt sich der bevorzugte Bereich der Durchlaßgröße von 0,5 mm bis 10 mm. Der Zapfen 20 und die Anode 21 definieren einen Durchgangsweg 25, der in der Umgebung der Anode 21 elektrolysiertes Wasser zu einem Ausgang 26 bringt. Eine Wassersammelkammer 27 ist außerhalb des Zapfens 20 angeordnet, um das Wasser aus dem Ausgang 26 zu sammeln, und ein Abflußrohr 28 ist so an der Wassersammelkammer 27 angeordnet, daß das Wasser abgeführt wird.

Eine Kathode 31 ist mit dem Zapfen 30 verbunden, und diese Kathode 31 ist ebenfalls in Form eines Hohlzylinders ausgebildet. Die Kathode 31 und die Anode 21 überlappen in dem Isolierbehälter 10 in der Weise, daß die Anode 21 innerhalb der Kathode 31 aufgenommen wird. Eine zweite Anzahl von Durchlässen ist ebenfalls homogen verteilt in einer Seitenwand der Kathode 31 angeordnet, so daß Wasser frei, ohne Widerstand durch die Kathode 31 fließen kann.

Es wird weiter Bezug genommen auf Fig. 1 und 3. Wenn der An trieb 40 gestartet wird, treibt eine Antriebswelle 41 die Treibriemen 42, und die Treibriemen 42 treiben dann die Riemenscheiben 22 und 32. Weil die Radien der Riemenscheiben 22 und 32 unterschiedlich sind, sind die Rotationsgeschwindigkeiten der Anode 21 und der Kathode 31 nicht gleich. Bei der Rotation bringen die Anode 21 und die Kathode 31 das in dem Isolierbehälter 10 enthaltene Wasser zur Rotation. Auf diese Weise wird innerhalb eines begrenzten Bereiches zwischen der Anode 21 und der Kathode 31 eine Schicht aus einem dialytischen Film 50 gebildet. Die Rotationsge schwindigkeit des dialytischen Films 50 ist deutlich verschieden von der in der Nähe der Anode 21 und der Kathode 31. Dadurch mischt sich das um die Anode 21 elektrolysierte Wasser nicht mit dem Wasser an der Kathode 31. Das soll heißen, saures, in der Anode 21 erzeugtes elektrolysiertes Wasser und basisches elektrolysiertes Wasser, erzeugt in Kathode 31, werden sich nicht mischen.

Unter weiterer Bezugnahme auf Fig. 2 fließt das basische elektrolysierte Wasser aus der Auslaßöffnung 15 ab. Ein (in den Zeichnungen nicht gezeigter) Filter kann zur weiteren Reinigung des aus Öffnung 15 ausfließenden Wassers vorgesehen sein. Das an Anode 21 erzeugte saure elektrolysierte Wasser wird durch den Durchlaßweg 25 aus der Anode 21 abgeführt, der durch den Zapfen 20 und die Anode 21 zu einem Ausgang 26 führend festgelegt ist. Das saure elektrolysierte Wasser wird in der Wassersammelkammer 27 gesammelt und läuft dann durch das Abflußrohr 28 ab. Das saure elektrolysierte Wasser wird von der Anode 21 durch den Durchlaßweg 25 mittels eines Siphoneffekts in die Wassersammelkammer 27 ausgestoßen.

Ferner wird das in dem Isolierbehälter 10 enthaltende Wasser in Rotation gehalten, wodurch irgendwelche festen Teilchen oder Niederschläge nach außen getrieben werden, was das Wasser weiter reinigen kann.

Es wird Bezug genommen auf Fig. 4, in der eine Ansicht eines weiteren Ausführungsbeispieles nach der vorliegenden Erfindung im Längsschnitt gezeigt ist, bei dem die Anode 21 ein erstes Paar koaxialer Trommeln umfaßt und die Kathode 31 ein zweites Paar koaxialer Trommeln umfaßt, die in dem Isolierbehälter 10 alternierend angeordnet sind, um die Kontaktfläche zwischen dem Wasser und den Elektroden (Anode 21 und Kathode 31) zu erhöhen. Die vergrößerte Kontaktfläche zwischen den Elektroden und dem Wasser kann die Effizienz der Elektrolyse steigern und ihre Produktivität erhöhen.

Claims

1. Vorrichtung für die Wasserelektrolyse mit zwei voneinander getrennt an zwei Enden eines Isolierbehälters (10) angeordneten Zapfen (20, 30), wobei eine hohlzylindrische Kathode (31) und eine hohlzylindrische Anode (21) getrennt voneinander jeweils mit einem der zwei Zapfen (20, 30) verbunden sind, die Kathode (31) und die Anode (21) koaxial zu dem Behälter (10) sind, die Anode (21) überlappend innerhalb der Kathode (31) aufgenommen ist, Durchlässe in der Seitenwand der Anode (21) und der Katho de (31) vorgesehen sind, eine Gleichstromquelle an die zwei Zapfen (20, 30) angeschlossen ist, ein Antrieb zum separaten Drehen der zwei Zapfen (20, 30) sowie zwei Einlaßöffnungen (14) für Wasser an einem Ende und zwei Auslaßöffnungen (15) für das basische elektrolysierte Wasser an dem anderen Ende des Iso lierbehälters (10) vorgesehen sind und eine Auslaßöffnung (26) für saures elektrolysiertes Wasser an einer mit einem Abfluß rohr (28) versehenen, außerhalb des Zapfens (20) angeordneten Wassersammelkammer (27) vorgesehen ist.

2. Vorrichtung für die Wasserelektrolyse nach Anspruch 1, wobei die Kathode (31) und die Anode (21) mehrschichtig sind und al ternierend angeordnet sind.

3. Vorrichtung für die Wasserelektrolyse nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Isolierbehälter (10) zylindrisch ist.

4. Vorrichtung für die Wasserelektrolyse nach Anspruch 1 oder 2, wobei ein Kupferring (23, 33) und eine Elektrobürste (24, 34) an jeweils äußeren Enden der zwei Zapfen (20, 30) angeord net sind.