Entwicklung eines elektrochemischen Moduls zur kombinierten Wasserdesinfektion und Kalkprävention

Projektziel

Desinfektion in technischen Prozessen, z.B. in der Getränkeindustrie, wird neben der Dosierung von Bioziden oder Bestrahlung mit UV-Licht auch mit elektrochemischen Methoden erreicht. Die wichtigsten Substanzen für die Desinfektion sind Chlor, Chlordioxid und Ozon. Dabei ist der Einsatz von Ozon umweltfreundlicher als die Anwendung von Chlorverbindungen. Ein weiterer Vorteil ist, dass Ozon direkt im zu behandelnden Wasser erzeugt werden kann. Dazu werden bordotierte Diamantelektroden (BDD), zwischen die eine Ionenaustauscher-Membran als solid polymer electrolyte (SPE) montiert ist, verwendet. Diese Elektroden zeichnen sich durch hohe mechanische, thermische, chemische und elektrochemische Stabilität aus.
Im Dauerbetrieb in harten Wässern bilden sich jedoch an den BDD-Elektroden Kalkablagerungen, die die Funktion der Elektroden beeinträchtigen.
In diesem Forschungsprojekt soll die Kalkbildung verhindert oder verringert werden. Darüber hinaus soll die Möglichkeit einer Kombination von Desinfektion und Enthärtung in einem Modul untersucht werden.

Stand der Arbeiten

Laborversuche zeigten, dass die Verkalkung von BDD-Stacks in harten Wässern durch die Umpolung der Elektroden herabgesetzt wurde, jedoch nicht vollständig vermieden werden konnte.
Es wurde eine Versuchsanlage aufgebaut in der an den BDD-Elektrodenstacks unter praxisnahen Bedingungen Ozon erzeugt wurde. In dieser Versuchsanlage wurden verschiedene Polarisationsroutinen zur Umpolung der Elektroden getestet. Dabei zeigte sich, dass bei kurzen Umpolintervallen von 2 und 4 Minuten höhere Ozonkonzentrationen erzeugt wurden und die Elektroden nicht so stark verkalkten. Damit wurde jedoch auch das Prozesswasser weniger stark enthärtet. Bei langen Umpolintervallen von 15 und 30 Minuten wurde weniger Ozon erzeugt, das Prozesswasser jedoch stärker enthärtet, da sich mehr Kalk auf den Elektroden ablagerte. Der Kalk, der sich im Elektroden-Stack zwischen den BDD-Elektroden und der Nafion-Membran, die als Festelektrolyt dient, bildete, konnte auch mit Säuren nicht vollständig wieder gelöst werden. Dies belegten unter anderem Impedanzmessungen, die dazu eingesetzt wurden, die Verkalkung eines Stacks online zu verfolgen, ohne dass dieser ausgebaut werden musste. Die Kalkrückstände auf dem BDD-Stack führten dazu, dass die Impedanz, bzw. der Widerstand des Stacks und damit auch die Spannung zwischen den Elektroden bei der Ozonerzeugung anstiegen.
Um eine gleichzeitige Ozonerzeugung und Enthärtung zu realisieren, wurden in der Versuchsanlage BDD-Stacks mit Edelstahl- und Graphit-Kathoden mit und ohne Umpolung getestet. Dabei zeigte sich, dass auch hier die Verkalkung zwischen Kathode und Membran die Ozonerzeugung beeinträchtigte.
Versuche zum Einfluss der Nafion-Membran zeigten, dass ein Austausch verblockter Membranen gegen neue Membranen die Ozonproduktion an einem BDD-Stack deutlich verbesserte. Auch der Anpressdruck und die Ausrichtung der Membranen beim Einbau in den Stack hatten einen großen Einfluss auf die Ozonerzeugung. Wurden zwei Nafion-Membranen zwischen zwei BDD-Elektroden so angeordnet, dass die Sperrschichten der Membranen den Elektroden abgewandt waren, konnte bei niedrigeren Spannungen eine höhere Ozonkonzentration erzielt werden. 
Die Ergebnisse zeigen, dass eine gleichzeitige Enthärtung und Ozonisierung des Prozesswassers möglich ist, die Kalkabscheidung auf den Elektroden dabei jedoch nicht vollständig verhindert werden kann.

Das IGF-Vorhaben Nr. 15506N der Forschungsvereinigung DECHEMA e.V., Theodor-Heuss-Allee 25, 60486 Frankfurt am Main wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.