DE19957406A1

DE19957406A1 - Direct current electro-chemical process liberates soaked limescale from metal water systems by dissolving contact interface

Info

Publication number: DE19957406A1
Application number: DE1999157406
Authority: DE
Inventors: Kai Zeppenfeld
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1999-11-29
Filing date: 1999-11-29
Publication date: 2001-05-31

Abstract

In a process to de-scale water pipes and tanks, a copper or stainless steel cathode electrode is introduced and coupled to a 6-12 volt direct current. The interior metal face of the tank functions as the anode. The subsequent electrolysis of water separates calcite, while the H<+> ions released at the anode lower the pH, slightly dissolving the innermost layer of limescale which is liberated from the boiler inner face. Following its release from the boiler face, the encrustation falls away and may be completely removed by filtration or sedimentation. An electrode (4) is introduced to the center of a metal boiler tank (1) whose inner face is encrusted with water-soaked limescale (2) and containing calceous water (3). The electrode is connected to the negative side of a 6-12 volt d.c. supply to become a cathode, while the positive side is connected to the boiler metal wall to become an anode. The voltage (6) and current (5) are monitored by suitable instruments. Electrolysis splits water into hydrogen and oxygen. A concentration of OH<->ions is liberated at the cathode, combining with the Ca<2+> ions present in solution to form and liberate calcite, reducing the calcite level present in water. The H<+> ions liberated at the anode and boiler inner wall react with the HCO<3-> ions present in the water to carbonic acid and dissolved free CO2, sharply lowering the pH value and liberating the limescale from the boiler wall.

Description

Kesselstein besteht in der Regel aus carbonatischen Calcium- und Magnesiumablagerungen.As a rule, scale consists of carbonate calcium and magnesium deposits.

Neben carbonatischen können, abhängig von der jeweiligen Wasserzusammenzusetzung, auch sulfatische, silicatische, oxidische und oxidhydratische Steinbildner auftreten. Kesselsteinablagerungen in wasserführenden Systemen und Anlagen können die Produktions- und Prozeßleistung erheblich beeinflußen. Besonders in Dampfkesseln reduzieren diese Ablagerungen direkt die Wärmeübertragung, führen zu höherem Energieverbrauch, höheren Metalltemperaturen und schließlich zum Versagen des Kessels. Solche Inkrustationen können, außer im Kessel selbst, auch zu Schwierigkeiten in den vor- und nachgeschalteten Rohrsystemen und Anlagen führen. Daher sind periodische Reinigungen ein Bestandteil der routinemäßigen Wartung und für die Einhaltung einer optimalen Prozeßleistung der Anlagen erforderlich.In addition to carbonate, depending on the respective water composition, also sulfate, silicate, oxide and oxide hydrate stone formers occur. Scale deposits in water-bearing systems and plants can and significantly affect process performance. Reduce this especially in steam boilers Deposits directly heat transfer, lead to higher energy consumption, higher Metal temperatures and eventually to boiler failure. Such incrustations can Except in the boiler itself, there are also difficulties in the upstream and downstream Lead pipe systems and plants. Therefore periodic cleaning is part of the routine maintenance and for maintaining optimal process performance of the systems required.

Physikalische Reinigungsmethoden wurden als erstes entwickelt, und obwohl mittlerweise stark verbessert, bleiben sie doch im Grunde genommen sehr einfach und werden nur durch den notwendigen Arbeitsaufwand beschränkt. Zu diesen Methoden gehören z. B. das Einblasen von Luft, das Spülen mit Frischwasser oder Reinigen der Anlagen durch Sandwaschen. Das Einbringen von Bürsten oder Schwammgummikugeln sind weitere Reinigungsmethoden, die sich aber durch hohe Investitionskosten auszeichnen.Physical cleaning methods were first developed, although in the meantime greatly improved, they remain basically very simple and are only through limited the necessary workload. These methods include e.g. B. blowing of air, rinsing with fresh water or cleaning the systems by sand washing. The Introducing brushes or sponge rubber balls are other cleaning methods that but are characterized by high investment costs.

Traditionell werden auch eine Reihe von chemischen Verfahren wie z. B. die Reinigung mit Hilfe von sauren oder alkalischen Substanzen benutzt, die einzeln, kombiniert oder zusammen mit den physikalischen Reinigungen Anwendung findet. Heute werden vor allem auf dem Markt erhältliche Polyelektrolyte und Chelatbildner, die in der Lage sind, spezifische Ablagerungen zu beseitigen, eingesetzt.Traditionally, a number of chemical processes such as e.g. B. cleaning with Help of acidic or alkaline substances used individually, combined or together with the physical cleaning is used. Today, especially on the Commercially available polyelectrolytes and chelating agents that are capable of specific To remove deposits.

Vor allem Säuren sind gut wirksam gegen Härteablagerungen wie z. B. gegen Calciumcarbonat und auch gegen Korrosionsprodukte. Obwohl einige Säurereinigungen im kontinuierlichen Betrieb möglich sind, werden die meisten während der Stillstandzeiten der Anlagen durchgeführt. Der zu reinigende Apparat wird von der Anlage isoliert, und die Säure wird im geschlossenen Tank durch den Anlagenteil geführt. Nachteilig wirkt sich dabei aus, daß eine solche Reinigung jedoch nur im Stillstand der Anlage möglich ist, weiterhin können die metallischen Wandungen der isolierten Apparate von der Säure korrodiert werden. Werden durch die Säure von der Metalloberfläche korrosionsschützende Eisen(III)-oxide entfernt, wirken die Fe³⁺-Ionen, wenn sie in die Wasserphase eintreten, als Oxidationsmittel und führen so zu einer zusätzlichen Metallauflösung. Andere Nachteile der Säurereinigung sind hohe Investitionskosten, die Beseitigung von erschöpften Lösungen, spezifische Probleme in der Handhabung sowie Gefahren für das Betriebspersonal.Acids in particular are effective against hardness deposits such as e.g. B. against calcium carbonate and also against corrosion products. Although some acid cleaning is possible in continuous operation, most are carried out during the plant downtimes. The apparatus to be cleaned is isolated from the system and the acid is passed through the system part in the closed tank. The disadvantage here is that such cleaning is only possible when the system is at a standstill, and the metal walls of the isolated apparatus can also be corroded by the acid. If corrosion-protecting iron (III) oxides are removed from the metal surface by the acid, the Fe ³⁺ ions act as an oxidizing agent when they enter the water phase and thus lead to an additional metal dissolution. Other disadvantages of acid cleaning are high investment costs, the elimination of exhausted solutions, specific problems in handling and dangers for the operating personnel.

Aufgrund dieser auftretenden Schwierigkeiten wäre es wünschenswert, vor allem die carbonatischen Kesselsteinbildungen ohne die oben genannten aufwendigen physikalischen und chemischen Verfahren zu beseitigen. Es wird ein elektrochemisches Verfahren zur Reinigung wasserführender Systeme und Anlagen von technischen Carbonatinkrustationen vorgeschlagen, welches im folgenden an zwei Anwendungsbeispielen erläutert werden soll.Because of these difficulties, it would be desirable, especially the carbonate scale formation without the above-mentioned complex physical and eliminate chemical processes. It becomes an electrochemical process for cleaning proposed water-bearing systems and plants for technical carbonate encrustations, which will be explained in the following using two application examples.

In einen metallischen Kessel (1), bei welchem die Innenwand mit einer Kesselsteinschicht (2) inkrustiert ist, wird eine größere Kupfer- oder Edelstahlelektrode (4) mittig in das kalkhaltige Kesselspeisewasser (3) eingebracht. An diese Elektrode wird der negative Pol einer Gleichspannungsquelle angelegt; der positive Pol wird darauf an der Kesselwand befestigt, so daß die Kupfer- bzw. Edelstahlelektrode als Kathode, der Kessel selbst als Anode dient. Danach wird eine Gleichspannung von ca. 6 bis 12 Volt angelegt [Bestimmung durch ein Voltmeter (6)], wobei mit Hilfe eines Amperemeters (5) der Stromfluß zwischen den Elektroden verfolgt werden kann (s. Zeichnung a)). Dabei wird vorrausgesetzt, daß die Kesselsteinbildung von dem im Kessel vorhandenen Wasser "durchnässt" ist.A larger copper or stainless steel electrode ( 4 ) is placed in the center of the calcareous boiler feed water ( 3 ) in a metallic boiler ( 1 ) in which the inner wall is encrusted with a scale layer ( 2 ). The negative pole of a DC voltage source is applied to this electrode; the positive pole is then attached to the boiler wall so that the copper or stainless steel electrode serves as the cathode and the boiler itself as the anode. Then a DC voltage of approximately 6 to 12 volts is applied [determined by a voltmeter ( 6 )], with the aid of an ammeter ( 5 ) the current flow between the electrodes can be monitored (see drawing a)). It is assumed that the scale formation is "soaked" by the water in the boiler.

Durch die eintretende Elektrolyse wird das Wasser in seine Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt. Weiterhin treten an der Kathode größere OH-Ionenkonzentrationen auf, die mit den in der Lösung vorhandenen Ca²⁺-Ionen örtlich eine Calcitabscheidung bilden, wodurch der Calciumgehalt des Wassers verringert wird:
As a result of the electrolysis, the water is broken down into its components hydrogen and oxygen. Furthermore, larger OH ion concentrations occur at the cathode, which locally form a calcite deposit with the Ca ²⁺ ions present in the solution, as a result of which the calcium content of the water is reduced:

Kathode:
2 H₂O + 2 e^- → H₂ + 2 OH^-
Ca²⁺ + HCO₃ ^- + OH^- → CaCO₃ + H₂O.Cathode:
2 H ₂ O + 2 e ^- → H ₂ + 2 OH ^-
Ca ²⁺ + HCO ₃ ^- + OH ^- → CaCO ₃ + H ₂ O.

Die an der Anode und damit an der Kesselinnenwand erzeugten H⁺-Ionen reagieren mit den im Wasser vorhandenen HCO₃ ^--Ionen zur freien Kohlensäure bzw. zum gelösten freien CO_{2 gel.} wodurch der pH-Wert örtlich stark erniedrigt wird:
The H ⁺ ions generated on the anode and thus on the inner wall of the boiler react with the HCO ₃ ^- ions present in the water to form free carbonic acid or dissolved CO _{2 gel.} As a result, the pH value is greatly reduced locally:

Anode:
2 H₂O → O₂+ 4 H⁺ + 4 e^-
HCO₃ ^- + H⁺ → (H₂CO₃) → CO_{2 gel.} + H₂O.Anode:
2 H ₂ O → O ₂ + 4 H ⁺ + 4 e ^-
HCO ₃ ^- + H ⁺ → (H ₂ CO ₃ ) → CO _{2 gel.} + H ₂ O.

Die so zwischen der Metallinnenwand und der Steinbildung erzeugte pH-Wert-Erniedrigung führt zu einer, wenn auch geringen Auflösung der innersten Kesselsteinschicht, so daß der direkte Kontakt zwischen Steinbildung und Kesselwand nicht mehr gegeben ist. Die Folge ist dann eine rasche Entfernung bzw. "Absprengung" der gesamten Inkrustation, welche darauf abfiltriert oder sedimentiert werden kann. Da die Elektrolysedauer relativ kurz ist, sollten an der Metallwand keine Korrosionserscheinungen beobachtet werden.The reduction in pH thus created between the inner metal wall and the formation of stones leads to a, albeit slight, dissolution of the innermost scale layer, so that there is no longer any direct contact between stone formation and the boiler wall. The result is then a quick removal or "blasting" of the entire incrustation on it can be filtered off or sedimented. Since the electrolysis time is relatively short, should be on no signs of corrosion are observed on the metal wall.

Auch bei inkrustierten Rohrsystemen kann das elektrochemische Reinigungsverfahren Verwendung finden (s. Zeichnung b)). Ein mit einer Kesselsteinbildung (2) behaftetes metallisches Rohr (1) durch welches ein Leitungswasser (3) strömt, dient dabei wiederum selbst als Anode. In dieses kann dann mit Hilfe von Bürsten oder Kunstoffkugeln eine drahtförmige Kupfer- oder Edelstahlkathode (4) eingebracht werden, wobei nach Anlegen einer Gleichspannung von ca. 6 bis 12 Volt der Elektrolysestrom mit einem Amperemeter (5), und die Potentialdifferenz mit einem Voltmeter (6) gemessen werden können. Der durch die anodische H⁺-Ionenbildung entfernte Kesselstein wird dann durch den Wasserfluß weggespült und kann mit Hilfe verschiedener Filtrations- und Sedimentationsverfahren beseitigt werden.The electrochemical cleaning process can also be used for encrusted pipe systems (see drawing b)). A metallic pipe ( 1 ) with a scale formation ( 2 ) through which a tap water ( 3 ) flows serves in turn itself as an anode. A wire-shaped copper or stainless steel cathode ( 4 ) can then be inserted into this with the help of brushes or plastic balls, whereby after applying a direct voltage of approx. 6 to 12 volts, the electrolysis current with an ammeter ( 5 ), and the potential difference with a voltmeter ( 6 ) can be measured. The scale removed by the anodic H ⁺ ion formation is then washed away by the water flow and can be removed with the aid of various filtration and sedimentation processes.

Ein solches auf elektrochemischer Basis arbeitendes Reinigungsverfahren würde damit gegenüber den bisher verwendeten physikalischen und chemischen Verfahren technische, wirtschaftliche und auch ökologische Vorteile bieten. Der große Arbeitsaufwand und die hohen Investitionskosten der physikalischen Methoden könnten somit umgangen werden. Weiterhin kann das elektrochemische Verfahren immer im kontinuierlichen Betrieb angewendet werden, während die meisten chemischen Verfahren bei Stillstand der Anlagen durchgeführt werden müssen. Besonders in trinkwasserführenden Systemen eignen sich aufgrund der Gesundheitsschädlichkeit vieler chemischer Substanzen die chemischen Verfahren nur schlecht. Folglich könnte sich das elektrochemische Reinigungsverfahren vor allem bei der Entfernung von Carbonatinkrustationen als ein technisches und umweltfreundliches Verfahren durchsetzen, das als Alternative zu den bisherigen physikalischen und chemischen Methoden Verwendung findet.This would make such an electrochemical-based cleaning process technical, compared to the physical and chemical processes previously used, offer economic and ecological advantages. The large amount of work and the high Investment costs of the physical methods could thus be avoided. Farther the electrochemical process can always be used in continuous operation, while most chemical processes are carried out with the plant at a standstill have to. Especially in drinking water systems are due to the Harmful to health of many chemical substances, the chemical processes only poorly. As a result, the electrochemical cleaning process could be particularly difficult to remove enforce carbonate encrustations as a technical and environmentally friendly process, the use as an alternative to the previous physical and chemical methods finds.

Claims

1. An electrochemical process for cleaning water-carrying systems and plants from scale incrustations is proposed. This is characterized in that a copper or stainless steel electrode is introduced into the system, the applied electrode serving as cathode after application of a DC voltage of 6 to 12 volts, and the incrusted, metallic inner wall of the system itself serving as an anode; Calcite is deposited cathodically by the water electrolysis, while the anodically produced H ⁺ ions lead to a lowering of the pH value and thus to a low dissolution of the innermost stone layer, which means that the direct contact between stone formation and boiler wall is no longer present; the result is a rapid removal of the entire incrustation, which can be eliminated with the aid of various filtration and sedimentation processes.