DE2708240A1 - Water softening system - passing hard water over conductive material at negative potential to water contacting counter electrode - Google Patents

Water softening system - passing hard water over conductive material at negative potential to water contacting counter electrode

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Abstract

In a water softening system, the water is passed over an electronically conductive material which is held at a negative potential relative to a counter-electrode in contact with the water. After the softening operation the water is purified mechanically. This is a simple method of water softening which needs no maintenance. No chemicals or ion exchangers are required. Even very hard water is satisfactorily softened.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur WasserenthärtungMethod and device for water softening

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Inthärtung von Wasser sowie eine Vorrichtung zur Durchftihrung dieses Verfahrens.The invention relates to a method for hardening water as well a device for carrying out this process.

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.Depending on the natural habits, (tap) water i.e. river or spring water. more or less large amounts of calcium and magnesium salts, especially calcium bicarbonate (calcium hydrogen carbonate) and sulfate. One of calcium salts rich water is referred to as "hard water", while calcium-free or low-calcium Water is "soft water". The hardness of the water is in sogonannton degree of hardness (° dH or ° d), which means the number of mg CaO per 100 nl of water will.

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.The concentration of calcium bicarbonate in the water can be increased by increasing the temperature Be affected: When boiling hard water, the calcium bicarbonate falls as Calcium carbonate from (Ca2 + + 2 HCO3 = CaCO3 + H2O + CO2). That way disappears part of the hardness, the so-called tomporary hardness.

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.The residual hardness based on the calcium sulphate content of water is the so-called permanent hardness. Temporary and permanent hardness together give the "total hardness" of the water.

Zine Inthärtung des Wassers ist fur viele Zwecke erforderlich.Zine hardening of the water is required for many purposes.

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.The hardness of the water in many devices, such as Dental equipment, Dishwashers and Klisa systems, annoying bomerkbar. It also comes through here Precipitated components, especially CaCO3, lead to incrustations and blockages. So far, water softening has been carried out either by distillation or by chromic precipitation of the interfering ions (with soda or sodium phosphate) or by binding the ionon by means of ion exchangers. However, the procedures mentioned are very complex, In addition, the chemical processing is still without a certain consumption connected to chemicals, since also ion exchange for the regeneration of chemical ions require. As a result of the great effort required, it is often even refrained from processing. For example, those clogged with limescale Drill heads of Dontal devices discarded, although they are relatively expensive, because they have to be reprocessed the water would be more autwond.

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.The object of the invention is to provide a simple and, in particular, also Low-maintenance process for softening water and a corresponding device and thus the disadvantages associated with the methods used so far to avoid.

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.This is achieved according to the invention in that the water has a electronically conductive material is passed and that the electronically conductive Material on a negative potential compared to not in contact with the water standing counter electrode is brought.

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.The method according to the invention can be referred to as electrochemical water softening. In this process, a direct current is sent through normal tap water, with water electrolysis taking place to a small extent. Here, ii is the area of the electronically conductive material, ie the cathode, as a result of the consumption of hydrogen ions the pH of the water increases slightly. Due to this increase in the pH value, there is then a shift in the equilibrium between the easily soluble calcium bicarbonate Ca (HC03) 2 and the poorly soluble calcium carbonate Ca (C03) 2, so that the calcium carbonate precipitates: In this way, the temporary hardness of the water, ie the carbonate hardness, can be eliminated by means of the method according to the invention. If the calcium carbonate precipitate should interfere, mechanical cleaning of the water can advantageously be provided after softening.

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.A device for carrying out the method according to the invention advantageously has the following structure: In a flow-through vessel for the water an electronically conductive material arranged; it is a means of specifying a negative potential provided on the electronically conductive material; in connection to the flow-through vessel, i.e. behind the flow-through vessel, is positive Counter electrode arranged. In the vicinity of this positive counter electrode, i.e. the Anode, occurs - due to the consumption of hydroxyl ions (2 OH - 1/2 02 + H20 + 2 e-) - a decrease in the pH value, which reduces the effect of the cathode resulting increase is at least partially offset.

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.Overall, the electrochromic water softening according to the method according to the invention thus results in the following gross reaction: The amounts of hydrogen and oxygen evolved are very small, because of the low current flowing through the water, so that no difficulties arise. Otherwise, these small amounts of gas also remain largely dissolved in water. This also applies to the carbon dioxide, so that the water generally has a pH value <7 after softening, ie it reacts slightly acidic. If this is undesirable, the dissolved carbon dioxide can be expelled from the water by increasing the temperature.

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.During the operation of the device according to the invention there is between the cathode, i.e. the electronically conductive material, and the positive counter electrode, the anode, advantageously a potential difference between approximately 2 and 30 V. The respective used potential difference is dependent on various factors, such as Geometry of the flow-through vessel, electrode size, electrode spacing and conductivity of the water.

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.The electronically conductive material, i.e. the cathode material, has advantageously a large surface. In this case there is a further Area in which the pH value of the water is increased and thus a high level of effectiveness in water softening. So the electronically conductive material is preferred in Used for chips, plates or pipes.

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.The cathode material can be a noble metal such as platinum, palladium, silver and gold, aluminum or graphite; however, preference is given to copper, stainless steel or an Aluniniun-copper alloy such as Duraluniniun is used. Such alloys have the advantage that they corrode slightly under the operating conditions, whereby they consume hydrogen ions so that they carry on the one hand in the area of Cathode to a further increase in the pH value and thus to an improved Calcium carbonate deposition at, on the other hand it is also considered - as a whole - the pH value of the water increases and thus the carbon dioxide dissolved in the water conditional lowering of the pH value ontgegengow works.

Als Anodonmaterial kann Edelstahl, Kohle, Graphit oder ein Edelnotfall dienen. Vorzugsweise besteht die Anode dabei aus Platin.Stainless steel, carbon, graphite or a noble emergency can be used as anodon material to serve. The anode is preferably made of platinum.

Die Anode findet in übrigen insbesondere in Form eines Netzes oder einer Drahtwendel Verwendung.The anode takes place in the rest in particular in the form of a network or using a wire coil.

Anhand einiger Ausführungsbeispiele und einer Figur soll die Erfindung noch näher erläutert werden.The invention is intended to be based on a few exemplary embodiments and a figure will be explained in more detail.

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.The figure shows a particularly preferred embodiment of a device for the implementation of the method for water softening according to the invention. A flow-through vessel 1, which has a volume of about 350 nl, enters from below the water to be softened through a line 2. The water runs through the flow-through vessel and leaves it at the upper end through a line 3 to a consumer from there The flow-through vessel 1 is filled with metal chips 4, which are made from an AlCuMgPb alloy (amount: 30 g). The metal chips 4 are medium a gold wire 5 connected to the negative pole of a voltage stabilizer. One Counter electrode 6 in the form of a helix made of platinum wire is connected to the positive pole of the voltage stabilizer tied together. Since a platinum wire of 60 n length and 0.3 mm diameter is sufficient for this, only a platinum diameter of 0.09 g is required for the anode. The counter electrode 6 is behind the flow-through vessel 1 in the water outlet line 3 in terms of flow arranged. Between the counter electrode 6 and the metal chips 4, i.e. the cathode material, a filter 7 is provided in the form of a glass frit, which the in the flow-through flask 1 retains separated calcium carbonate.

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.The amount of water flowing through the flow-through vessel per hour was approx. 45 al, i.e. there was a residence time of approximately 8 hours. With an initial hardness from 13 ° dH the water could be softened to 2 ° dH and less. the The operating voltage was 24 V, with a current of only approx. 3 mA through the flow-through vessel raft. The softening of the water, which took place at room temperature (approx. 22 ° C), was carried out over a period of well over 100 days.

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.Further experiments showed that it is advantageous to use it at room temperature zuarbeiton: As the temperature rises, the water leaving the flow-through vessel is namely increasingly hard instead of an Aluniniun-copper alloy (Dural) Other cathode materials can also be used with similar success, for example Aluminum or V2A sheets. Electrographitized can also be used as anode material Charcoal or Serve spectral carbon. It was also found that even very hard water can be softened considerably. So could none Combination of dural chips as cathode material and a V2A sheet as anode Water with an initial hardness of 40 ° dH can be softened to approx. 13 ° dH.

8 Patentansprüche 1 Figur L e e r s e i t e8 claims 1 figure L e r s e i t e

Claims (8)

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.P a t e n t a n s p r ü c h e 1. Process for softening water, characterized in that the water has an electronically conductive material is conducted and that the electronically conductive material is at a negativon potential is brought against a counter electrode in contact with the water. 2. Verfahr.n nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Wasser nach der Enthärtung mechanisch gereinigt wird.2. Verfahr.n according to claim 1, characterized in that the water mechanically cleaned after softening. 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.3. Apparatus for performing the method according to claim 1 or 2, characterized in that it has a flow-through vessel (1) for the water, that an electronically conductive material (4) is present in the flow-through vessel (1), that means (5) for specifying a negative potential on the electronically conductive Material (4) are provided and that following the flow vessel (1) one positive counter electrode (6) is arranged. 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.4. Apparatus according to claim 3, characterized in that between the electronically conductive material (4) and the counter electrode (6) have a potential difference approximately between 2 and 30 V. 5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß das elektronisch leitende Material (4) eine große Oberfläche aufweist.5. Apparatus according to claim 3 or 4, characterized in that the electronically conductive material (4) has a large surface. 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.6. Device according to one of claims 3 to 5, characterized in that that the electronically conductive material (4) copper, stainless steel or an aluminum-copper alloy is. 7. Vorrichtung nach einen oder mehreren der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Gegenelektrode (6) aus Platin besteht.7. Device according to one or more of claims 3 to 6, characterized characterized in that the counter electrode (6) consists of platinum. 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.8. Device according to one or more of claims 3 to 7, characterized characterized in that between the electronically conductive material (4) and the counter electrode (6) a filter (7) is provided.
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