Kartusche zur Trinkwasseraufbereitung sowie Verfahren zur Aufbereitung von Trinkwasser

Beschreibung

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Kartusche zur

Trinkwasseraufbereitung. Die Kartusche ist insbesondere für einen schwerkraftbetriebenen Wasserhaushaltsfilter oder als Einwegkartusche zum Einsetzen in die Zuleitung eines Geräts zur Getränkezubereitung vorgesehen. Weiter betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Aufbereitung von Trinkwasser.

Hintergrund der Erfindung

Kartuschen, insbesondere Filterkartuschen zur

Trinkwasseraufbereitung sind bekannt. Es handelt sich dabei zum Einen um Kartuschen, die in schwerkraftbetriebene

Wasserfiltersysteme, insbesondere für Haushaltszwecke, eingesetzt werden. Dabei sitzt die Kartusche in einem

Trichter, in den Wasser eingefüllt wird. Über einen Einlauf läuft das Wasser oben in die Kartusche hinein und verlässt an einem unteren Auslauf den Kartuschenboden.

Für andere Anwendungen, insbesondere in der Gastronomie und bei Automaten für die Zubereitung von Heißgetränken wie Kaffee oder Tee sind Kartuschen bekannt, welche entweder in ein Gerät eingesetzt werden oder welche Anschlüsse haben, um in eine Trinkwasserleitung zwischengeschaltet zu werden. In Zentraleuropa werden derartige austauschbare Kartuschen in der Regel hauptsächlich verwendet, um die Wasserhärte, insbesondere die Carbonathärte des Trinkwassers zu

reduzieren. Hierzu ist die Kartusche mit einem

Ionenaustauschmaterial , zumeist mit einem schwach sauren Harz, welches als Granulat in einer Kammer angeordnet ist, versehen. Durch die Verwendung derartiger Kartuschen soll vor allem der Geschmack von Heißgetränken verbessert werden, insbesondere kann die für hartes Wasser typische Schlierenbildung bei Tee reduziert werden.

Die gattungsgemäßen Kartuschen zur Wasseraufbereitung können aber des Weiteren auch die Aufgabe haben,

Schwebstoffe, Keime, Schwermetalle etc. aus dem Wasser zu entfernen.

Die Kartuschen sind dabei in der Regel als Einwegsystem ausgebildet, werden also nach der bestimmungsgemäßen mehrmaligen Verwendung weggeworfen oder als Pfandsystem einer Wiederverwertung zugeführt.

Die europäische Patentschrift EP 2 094 611 Bl

(BWT International Trading Ltd.) zeigt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Anreicherung von Wasser mit

Magnesiumionen. Insbesondere ist in diesem Patent eine Kartusche für ein schwerkraftbetriebenen

Wasserhaushaltsfilter gezeigt, die ein schwach sauren

Ionenaustauschermaterial umfasst, das zum Teil mit

Wasserstoffionen und zum Teil mit Magnesiumionen beladen ist. Hierdurch wird auf besonders einfache Weise

ermöglicht, das Wasser mit Magnesium anzureichern.

Gleichzeitig wird die Ansäuerung des Trinkwassers durch das verwendete mit Magnesiumionen beladene

Ionenaustauschermaterial reduziert .

Aufgabe der Erfindung

Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, bekannte Kartuschen zur Trinkwasseraufbereitung weiter zu verbessern. Insbesondere soll die Selektivität im Hinblick auf zuzusetzende Alkali- oder Erdalkaliionen verbessert und/oder auf ein aufwändiges Konditionieren eines

Ionenaustauschmaterials mit zwei Ionenarten verzichtet werden können. Des Weiteren wird dadurch eine schnellere Abgabe insbesondere von Erdalkaliionen, wie Magnesium, erreicht, da der stark saure Ionenaustauscher nahezu unabhängig vom pH-Wert diese austauscht.

Zusammenfassung der Erfindung Die Aufgabe der Erfindung wird bereits durch eine Kartusche zur Trinkwasseraufbereitung sowie durch ein Verfahren zur Aufbereitung von Trinkwasser nach einem der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen und Weiterbildungen der

Erfindung sind dem jeweiligen Unteransprüchen zu entnehmen.

Die Erfindung betrifft eine Kartusche zur

Trinkwasseraufbereitung .

Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf eine Kartusche für einen schwerkraftbetriebenen Wasserhaushaltsfilter, also ein System, bei dem die Kartusche in einen Trichter eingesetzt wird, in den das Wasser gegossen wird.

Eine derartige Kartusche umfasst in der Regel ein Gehäuse mit einem Einlauf und einem Auslauf. Ein- und Auslauf sind oft als Schlitze oder Gitterstruktur ausgebildet.

Weiter betrifft die Erfindung Kartuschen zur Verwendung für Geräte zur Zubereitung von Getränken. Dabei kann die

Kartusche im Gerät sitzen, beispielsweise im Auslauf eines Wasserbehälters oder im Zulauf des Gerätes. Grundsätzlich wird zwischen Geräten zur Zubereitung von Heißgetränken wie beispielsweise Kaffee oder Tee und Geräten zur Zubereitung von Kaltgetränken unterschieden. Bei letzteren Geräten werden dem Wasser oft Süßstoff oder Zucker und

Geschmackstoffe zugesetzt.

Die Kartusche umfasst ein Ionenaustauschermaterial, welches insbesondere als Granulat ausgebildet ist. Auch die

Verwendung eines Vlies als Ionenaustauschermaterial ist denkbar .

Die Kartusche umfasst zumindest eine erste und eine weitere Kammer. Ein erster Teil des Ionenaustauschermaterials, welcher sich in einer ersten Kammer befindet, ist mit

Alkali- oder Erdalkaliionen, insbesondere mit

Magnesiumionen, beladen und ein zweiter Teil des

Ionenaustauschermaterials, welcher sich in einer weiteren Kammer befindet, ist mit Wasserstoffionen beladen.

Gemäß der Erfindung ist einer der beiden Teile des

Ionenaustauschermaterials als stark saures Ionenaustauschermaterial und der andere Teil des

Ionenaustauschermaterials als schwach saures

Ionenaustauschermaterial ausgebildet . Der Erfinder hat herausgefunden, dass die gleichzeitige Verwendung von stark sauren und schwach sauren

Ionenaustauschermaterialien es möglich macht, auf sehr einfache Weise das Ionenaustauschermaterial derart

auszubilden, dass die Eigenschaften des gefilterten

Trinkwassers hinsichtlich pH-Wert und Zusammensetzung eingestellt werden können.

Vorzugsweise ist das schwach saure Ionenaustauschermaterial zumindest im Auslieferungszustand überwiegend mit anderen Ionen beladen als das stark saure Ionenaustauschermaterial.

Die Beladung des stark sauren Teils mit Alkali- oder

Erdalkaliionen führt zu einer verbesserten Selektivität hinsichtlich dieser Ionen. Des Weiteren tauscht der stark saure Kationenaustauscher die Gesamthärte und nicht nur die Karbonathärte, wie es beim schwach sauren Ionenaustauscher der Fall ist, aus.

Ionenaustauschprozesse sind Gleichgewichtsreaktionen, was insbesondere bei schwach sauren Ionenaustauschermaterialien dazu führt, dass je nach Zusammensetzung des

aufzubereitenden Trinkwassers, die Selektivität

hinsichtlich der einzelnen Ionenarten variiert. Der schwach saure Ionenaustaustauscher in der H-Form tauscht nur diejenigen Kationen, welche an die Karbonathärte gebunden sind aus. Dies führt dazu, dass auch die Zusammensetzung des

aufbereiteten Wassers, beispielsweise im Hinblick auf die Konzentration an Magnesiumionen, variiert und je nach verwendetem Wasser außerhalb eines gewünschten Bereiches liegen kann.

Bei Verwendung eines stark sauren

Ionenaustauschermaterials, welches zumindest teilweise mit Alkali- oder Erdalkaliionen beladen ist, kann die

gewünschte Konzentration an Ionen, die dem Wasser zugesetzt werden soll, gut eingestellt werden.

Gleichzeitig wird über einen überwiegend mit

Wasserstoffionen beladenen Teil schwach sauren

Ionenaustauschermaterials erreicht, dass die Wasserhärte, insbesondere die Carbonathärte, reduziert wird, ohne dass das Wasser unerwünscht stark angesäuert wird.

Ein weiterer Vorteil liegt darin begründet, dass, wie es bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung

vorgesehen ist, ein Teil des Ionenaustauschermaterials überwiegend, vorzugsweise zumindest 90% mit einer Ionenart, insbesondere mit Wasserstoffionen, zu beladen. So kann ein Ionenaustauschermaterial auch nur mit einer Ionenart beladen werden.

So kann auf das verhältnismäßig aufwendige Konditionieren eines Ionenaustauschermaterials, insbesondere eines schwach sauren Ionenaustauschermaterials mit zwei Ionenarten, etwa mit Magnesium- und Wasserstoffionen, verzichtet werden. Als schwach saures Ionenaustauschermaterial wird

insbesondere ein kationisches Ionenaustauschermaterial mit einer Carboxylgruppe verwendet. Derartige synthetische Kunstharzionenaustauscher werden beispielsweise unter den Handelsnamen Lewatit ^® oder Amberlite ^® vertrieben.

Bei dem stark sauren Ionenaustauschermaterial handelt es sich vorzugsweise um ein Kationenaustauschermaterial mit Sulfonsäuregruppen .

Wird nun der stark saure Teil des Ionenaustauschermaterials überwiegend mit Wasserstoffionen beladen, ist es auch auf einfache Weise möglich, das Wasser bewusst anzusäuern, insbesondere auf einen pH-Wert von weniger als 3,

vorzugsweise von weniger als 2,7.

Es ist insbesondere vorgesehen, derart angesäuertes Wasser für Erfrischungsgetränke zu verwenden, insbesondere

Erfrischungsgetränke, die neben Geschmacksstoffen, Süßstoff oder Zucker enthalten.

Bei einer Ausführungsform der Erfindung ist der stark saure Teil des Ionenaustauschermaterials zu zumindest 10%, vorzugsweise zu zumindest 60% und besonders bevorzugt zu zumindest 90 % seiner Kapazität mit Alkali- oder

Erdalkaliionen beladen.

Vorzugsweise ist der stark saure Teil überwiegend mit

Alkali- oder Erdalkaliionen beladen.

Im Sinne der Erfindung erfolgt die Bestimmung des Teils der Kapazität, mit der das Ionenaustauschermaterial mit einer bestimmten Ionenart beladen ist, nach der DIN 54403 aus April 2009. Gemäß der Vorgehensweise dieser Norm wird zunächst die totale Kapazität des Ionenaustauschermaterials bestimmt. Dabei wird unterschiedlich vorgegangen, je nachdem, ob es sich um einen stark sauren oder schwach sauren Ionenaustauscher handelt. Schwach saure

Ionenaustauscher werden dabei zunächst in die

Wasserstoffform gebracht. Nach Bestimmung der totalen

Kapazität kann bestimmt werden zu welchem Anteil der

Kapazität dieser nunmehr mit Alkali- oder Erdalkaliionen beziehungsweise eine andere Ionenart beladen ist.

Bei einer alternativen Ausführungsform der Erfindung, welche insbesondere der Ansäuerung des Wassers zur

Zubereitung von Erfrischungsgetränken dient, ist das stark saure Ionenaustauschermaterial zu zumindest 30%,

vorzugsweise zu zumindest 50% und besonders bevorzugt zu zumindest 80% der Kapazität, also der totalen Kapazität gemäß DIN 54403, mit Wasserstoffionen beladen.

Die angegebenen Kapazitäten im Sinne der Erfindung beziehen sich immer auf den Auslieferungszustand. Es versteht sich, dass beispielsweise die Beladung mit Wasserstoffionen bei bestimmungsgemäßer Verwendung der Kartusche sinkt.

Es ist weiter insbesondere vorgesehen, dass erster und zweiter Teil des Ionenaustauschermaterials in einem

Verhältnis (Massenverhältnis) von 1:9 bis 9:1, vorzugsweise von 3:7 bis 7:3 vorliegen.

Vorzugsweise ist die Kartusche derart ausgebildet, dass das aufzubereitende Wasser in zwei Teilströme aufgeteilt wird, wobei ein erster Teilstrom das stark saure

Ionenaustauschermaterial und ein weiterer Teilstrom das schwach saure Ionenaustauschermaterial passiert. Es hat sich gezeigt, dass bei einer getrennten

Bereitstellung von schwach saurem und stark saurem

Ionenaustauschermaterial es genauer möglich ist, das

Verhältnis verschiedener Ionenarten in dem aufbereiteten Wasser einzustellen.

So kann insbesondere bei der Beladung eines

Ionenaustauschermaterials mit Magnesiumionen eine

gleichmäßigere Abgabe von Magnesiumionen über die

Lebensdauer der Kartusche eingestellt werden.

Es ist insbesondere vorgesehen, dass das aufzubereitende Wasser aufgeteilt wird und teilweise über einen stark sauren Ionenaustauscher und teilweise über ein schwach saures Ionenaustauscher geführt wird und sodann wieder gemischt wird.

Denkbar ist aber auch, dass das aufzubereitende Wasser zunächst über den einen Teil des Ionenaustauschermaterials und sodann über den anderen Teil des

Ionenaustauschermaterials geführt wird. Vorzugsweise wird dabei das Wasser zunächst über ein Ionenaustauschmaterial geleitet, welches überwiegend mit Wasserstoffionen beladen ist und sodann über den anderen Teil des

Ionenaustauschermaterials geführt, welches mit Alkali- oder Erdalkaliionen beladen ist. Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Verfahren zur

Aufbereitung von Trinkwasser, insbesondere mittels einer zuvor beschriebenen Kartusche. Das Trinkwasser wird in zwei Teilströme aufgeteilt, wobei ein erster Teilstrom über ein stark saures

Ionenaustauschermaterial und ein zweiter Teilstrom über ein schwach saures Ionenaustauschermaterial geleitet wird.

Eines der Ionenaustauschermaterialien ist zumindest

teilweise, vorzugsweise überwiegend mit Alkali- oder mit Erdalkaliionen beladen.

In einer Ausführungsvariante ist der stark saure Teil des Ionenaustauschermaterials überwiegend mit Wasserstoffionen beladen und das Wasser wird auf einen pH-Wert von weniger als 3, vorzugsweise von weniger als 2,7 angesäuert, so dass es insbesondere für Erfrischungsgetränke verwendet werden kann . Über den mit Alkali- oder Erdalkaliionen beladenen Teil des Ionenaustauschermaterials kann eine zusätzlich

Funktionalität bereit gestellt werden, insbesondere kann das Wasser mit Magnesium angereichert werden. Bei einer alternativen Ausführungsform der Erfindung ist der schwach saure Teil des Ionenaustauschermaterials überwiegend mit Wasserstoffionen zu beladen.

Das stark saure Ionenaustauschermaterial ist mit Alkali- oder Erdalkaliionen, insbesondere mit Magnesiumionen beladen wodurch das Wasser mit diesen Ionen angereichert wird . Gleichzeitig kann der pH-Wert des Wassers derart

eingestellt werden, dass dieser nicht auf einen Wert von weniger als 3,5, vorzugsweise auf einen Wert von nicht weniger als 4,2 absinkt.

Beschreibung der Zeichnungen Die Erfindung soll im Folgenden bezugnehmend auf

schematisch dargestellte Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnungen Fig. 1 bis Fig. 1 näher erläutert werden.

Fig. 1 zeigt eine Schnittansicht einer Kartusche 1 für einen schwerkraftbetriebenen Wasserhaushaltsfilter, wie diese in einen Trichter (nicht dargestellt) eingesetzt werden kann.

Das Grundprinzip einer derartigen Kartusche ist bekannt.

In diesem Ausführungsbeispiel handelt es sich um eine

Kartusche 1 mit Strömungsumkehr, bei der das

aufzubereitende Wasser über einen Einlauf 3 in eine Kammer 2 hineinläuft, die mit einem Ionenaustauschermaterial 5 gefüllt ist.

Das Ionenaustauschermaterial 5 liegt als Granulat vor.

Bei diesem Ausführungsbeispiel ist der Kartuscheboden nicht offen, sondern das Wasser verlässt nach einer

Strömungsumkehr (der Weg des Wassers mit Pfeilen gekennzeichnet) über einen röhrenförmigen Auslauf 4 die Kartusche 1.

Es versteht sich, dass die Erfindung aber auch für

Kartuschen vorgesehen ist, die über keine Strömungsumkehr verfügen, bei denen also insbesondere ein mit Öffnungen versehener Kartuschenboden als Auslauf dient (nicht dargestellt) .

Der Raum, in welcher sich das Ionenaustauschermaterial befindet, durch einen Steg 6 in zwei Kammern 2a und 2b unterteilt ist.

Die Kammer 2a ist mit einem stark sauren

Ionenaustauschermaterial 5a und die Kammer 2b mit einem schwach saurem Ionenaustauschermaterial 5b gefüllt.

Ein Teil des Wassers passiert nunmehr die Kammer 2a während der andere Teil die Kammer 2b passiert.

Nach einer Strömungsumkehr miseht sich das Wasser aus den Kammern 2a und 2b in der über dem Auslauf angeordneten Kammer 7 und verlässt sodann über einen röhrenförmigen Auslauf 4 die Kartusche 1.

Das stark saure Ionenaustauschermaterial 5a ist im

Auslieferungszustand überwiegend mit Magnesium beladen, schwach saure Ionenaustauschermaterial 5b ist im

Auslieferungszustand überwiegend mit Wasserstoff beladen So kann das aufzubereitende Trinkwasser mit Magnesiumionen angereichert werden. Weiter wird die Ansäuerung des

Trinkwassers reduziert.

Über das Mengenverhältnis von verwendetem schwach sauren und stark sauren Granulat können die Eigenschaften des aufbereiteten Wassers hinsichtlich pH-Wert und

Magnesiumgehalt eingestellt werden.

Gegenüber der Konditionierung eines Materials mit zwei verschiedenen Ionenarten wird die Herstellung einer

Kartusche, die neben einer Reduzierung der Wasserhärte Magnesium abgibt, vereinfacht.

Die Trennung des stark sauren Ionenaustauschermaterials vom schwach sauren Ionenaustauschermaterial hat bei Beladung des stark sauren Ionenaustauschermaterials mit Magnesium des Weiteren den Vorteil, dass der Anteil an Magnesium im aufzubereitenden Wasser besser eingestellt bzw. höher werden kann.

Fig. 2 zeigt eine schematische Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform einer Kartusche 1 zur

Trinkwasseraufbereitung, bei der, wie in Fig. 1, die

Kartusche die Kammern 2a und 2b aufweist, die durch

Wand 6 voneinander getrennt sind.

Eine der Kammern 2a, 2b ist wiederum mit einem stark saurem Ionenaustauschermaterial und die andere mit einem schwach sauren Ionenaustauschermaterial gefüllt. Im Unterschied zu der in Fig. 1 dargestellten

Ausführungsform sind zwei getrennte Ausläufe 4a, 4b

vorgesehen . Es ist nunmehr denkbar, dass aus jedem dieser Ausläufe 4a, 4b Wasser mit anderen Eigenschaften entnommen werden kann.

Dabei ist es wiederum, wie es gemäß einer Ausführungsform der Erfindung vorgesehen ist, denkbar, dass in einer Kammer oder in beiden Kammern eine Mischung aus einem stark saurem und einem schwach saurem Ionenaustauschermaterial vorliegt, bei der der eine Teil des Ionenaustauschermaterials

überwiegend mit anderen Ionen beladen ist als der andere Teil .

So ist insbesondere denkbar, dass an einem Auslauf Wasser mit einem geringeren pH-Wert ausläuft als an dem anderen Auslauf . Der Verwender kann nunmehr das Wasser beider Ausläufe mischen oder kann für bestimmte Verwendungen, etwa zur Herstellung von Erfrischungsgetränken nur das Wasser eines Auslaufs verwenden, welches in diesem Fall den geringeren pH-Wert aufweist.

Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform einer Kartusche 10, welche zum Anschluss an eine Trinkwasserleitung vorgesehen ist, insbesondere an die Leitung eines Geräts zum

Zubereiten von Heißgetränken, wie dies beispielsweise in der Gastronomie Verwendung findet. Die Kartusche 10 weist ein Gehäuse 13 mit einem Anschluss 11 auf, über den Wasser in das Gehäuse 13 der Kartusche 1 strömt . Über den Anschluss 12 verlässt das aufbereitete Trinkwasser die Kartusche und kann der weiteren Verwendung zuführt werden .

Der Weg des Wassers ist mit Pfeilen eingezeichnet.

Der Anschluss 11 des Einlaufs ist mit einer Fallleitung 16 verbunden, über die das aufzubereitende Wasser in den Boden des Gehäuses 13 der Kartusche 10 geführt wird. Der Innenraum der Kartusche 11 ist über eine Wand 17 derart in zwei Teile getrennt, dass in einem Teil der Kartusche ein überwiegend mit Magnesium beladenes Granulat 14 eines stark sauren Ionenaustauschermaterials vorliegt und in einem hiervon getrennten Bereich ein Granulat 15 aus einem schwach sauren Ionenaustauschermaterial, welches im

Auslieferungszustand überwiegend in die Wasserstoffform überführt ist.

Das vom Kartuschenboden durch den Druck des nachströmenden Wassers aufsteigende Wasser wird nunmehr in zwei Teilströme unterteilt, von denen der eine das stark saure mit

Magnesium beladene Granulat 14 und der andere Teil das schwach saure und mit Wasserstoff beladene Granulat 15 passiert .

In einer oberen Kammer 18 ist im Gehäuse 13 der Kartusche 10 keine Wand vorhanden, so dass sich das Wasser der beiden Teilströme mischt und über den Auslauf 12 die Kartusche 10 verlässt .

Durch die Erfindung wird die Selektivität im Hinblick auf Alkali- und Erdalkaliionen, insbesondere im Hinblick auf Magnesium derart verbessert, dass es zu einer

gleichmäßigeren Abgabe kommt.

Bezugs zeichenliste

1 Kartusche

2 Kammer

3 Einlauf

4 Auslauf

5 Ionenaustauschermaterial

6 Wand

7 Kammer

10 Kartusche

11 Anschluss

12 Anschluss

13 Gehäuse

14 Granulat

15 Granulat

16 Fallleitung

17 Wand

18 Kammer