VORRICHTUNG UND VERFAHREN ZUR AUFBEREITUNG VON TRINKWASSER SOWIE VERFAHREN ZUR BELADUNG EINES IONENAUSTAUSCHERMATERIALS MIT ZINKIONEN Beschreibung

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Aufbereitung von Trinkwasser. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Vorrichtung und ein Verfahren, bei welchem ein Ionenaustauschermaterial verwendet wird, das von dem aufzubereitenden Wasser durchströmt wird, wobei Ionen des Trinkwassers, insbesondere Kalziumionen, durch andere Ionen ausgetauscht werden. Die Erfindung betrifft insbesondere schwerkraftbetriebene Tischwasserfilter, Filterkartuschen für Maschinen zur Getränkezubereitung sowie Filterkerzen, die inline in eine Wasserleitung eingesetzt werden. Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Verfahren zur Beladung eines Ionenaustauschermaterials mit Zinkionen.

Hintergrund der Erfindung

Vorrichtungen zur Aufbereitung von Trinkwasser sind

bekannt. Insbesondere werden zur Aufbereitung und

gleichzeitigen Enthärtung von Trinkwasser Filterkartuschen oder Filterkerzen verwendet, die mit einem

Ionenaustauschermaterial befüllt sind, welches mit

Wasserstoff beladen ist. Ein derartiges, mit Wasserstoff beladenes Filtermaterial, insbesondere ausgebildet als schwach saures Ionenaustauscherharz, hat eine hohe

Selektivität gegenüber anderen Ionenarten und ist daher insbesondere gut für die Enthärtung des aufzubereitenden Wassers geeignet.

Nachteilig ist, dass bei derartigen, mit Wasserstoff beladenen Filterkartuschen auch andere Spurenelemente, welche insbesondere für die menschliche Ernährung wichtig sind, entfernt werden, obwohl deren Entfernung zur

Enthärtung des Wassers nicht erforderlich ist. Dies betrifft insbesondere auch Zink.

Zink ist ein wichtiges Spurenelement des Körpers. Zink ist an ca. 300 enzymatischen Reaktionen im Körper beteiligt. Zinkmangel kann zahlreiche Folgen haben, z.B. Haarausfall, rissige und trockene Haut, Hautentzündungen, brüchige Haare und Nägel, verminderte Wundheilung und Hautentzündungen, bei Kindern Wachstumsstörungen, Appetitlosigkeit,

Nachtblindheit, Schwächung des Immunsystems und

eingeschränkte Leistungsfähigkeit . Die Zuführung von Zink muss täglich mit der Nahrung oder über das Trinkwasser erfolgen, da der Körper Zink nicht selbst herstellen kann. Die empfohlene Tagesmenge an Zink sollte 10 bis 15 mg pro Tag betragen. Zinkreiche Nahrungsmittel sind Rindfleisch, Seefisch und Meeresfrüchte. Darüber hinaus enthalten ist Zink in

Mischprodukte, vor allem Käse, Eier sowie

Vollkornerzeugnissen. Das zinkreichste Lebensmittel ist mit großem Abstand die Auster. Danach folgen Rindfleisch, Seefisch und Meeresfrüchte, Milcherzeugnisse (vor allem Käse), Eier und Vollkornerzeugnisse. Zink aus tierischen Lebensmitteln ist besser verwertbar - mehr als die Hälfte der mittleren Tagesaufnahme an Zink wird aus Nahrungsmitteln tierischer Herkunft gedeckt. Auch die

Verarbeitung hat einen Einfluss auf den Zinkgehalt der Lebensmittel - so ist der Ausmahlungsgrad von Getreide entscheidend für den Zinkgehalt von Mehl. Zink ist außerdem noch enthalten in Nüssen, Linsen, Haferflocken etc. Bei Zinkmangel wird unter anderem auch die Einnahme von

Zinkpräparaten, vor allem Tabletten mit Zink meist in

Kombination mit Vitamin C empfohlen.

Zink wird meist gar nicht über das Trinkwasser aufgenommen. Meist ist die Konzentration von Zink im Trinkwasser

verschwindend gering.

Die Dosierung von Zink mittels eines Dosiersystems hat den Nachteil das die Zinkionen immer mittels eines Salzes dosiert werden müssen. Als Anionen werden u.a. Citrate eingesetzt .

Aufgabe der Erfindung

Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, die genannten Nachteile des Standes der Technik zu reduzieren. Es ist insbesondere Aufgabe der Erfindung, ein

aufbereitetes Trinkwasser mit einem hinreichend hohen

Zinkanteil bereitzustellen.

Zusammenfassung der Erfindung

Die Aufgabe der Erfindung wird durch eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Aufbereitung von Trinkwasser sowie durch ein Verfahren zur Beladung eines Ionenaustauschermaterials mit Zinkionen nach einem der unabhängigen Ansprüche gelöst Bevorzugte Ausführungsformen und Weiterbildungen der

Erfindung sind dem Gegenstand der abhängigen Ansprüche, der Beschreibung sowie den Zeichnungen zu entnehmen. Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Aufbereitung von Trinkwasser, welche ein Gehäuse umfasst, durch welches Wasser leitbar ist.

Die Erfindung betrifft insbesondere eine Vorrichtung, welche als vorzugsweise werkzeuglos austauschbare Kartusche oder welche als Filterkerze ausgebildet ist. Die Kartusche mit einem Einlauf und einem Auslauf kann insbesondere in einem schwerkraftbetriebenen Tischwasserfilter verwendet werden. Eine andere Ausführungsform wird für Maschinen zur Zubereitung von Heißgetränken verwendet, indem diese beispielsweise vor den Ansaugstutzen des Tanks gesetzt wird. Sofern die Vorrichtung als Filterkerze ausgebildet ist, wird diese in einen Leitungsabschnitt eingebaut und vom Wasser durchströmt.

Allen Vorrichtungen ist gemeinsam, dass diese ein Gehäuse aufweisen, welches zumindest eine Kammer bildet, in der ein Ionenaustauschermaterial angeordnet ist. Es versteht sich, dass in dem Gehäuse noch weitere Bestandteile zur

Wasseraufbereitung vorhanden sein können, beispielsweise Filter zur Entfernung von Schwebstoffen und/oder zur

Zurückhaltung des Filtermaterial, oder Aktivkohle und/oder einen Ultrafilter zur Entkeimung des aufzubereitenden

Wassers .

Das in dem Gehäuse vorhandene Ionenaustauschermaterial ist gemäß der Erfindung zumindest teilweise mit Zinkionen beladen. Es hat sich herausgestellt, dass in überraschend effektiver Weise eine zumindest Teilbeladung des

Ionenaustauschermaterials mit Zinkionen verwendet werden kann, um das aufbereitete Wasser auf einen erwünschten Zinkanteil einzustellen.

Die Beladung mit Zinkionen bezieht sich im Sinne der

Erfindung auf den Auslieferungs- also unbenutzten Zustand der Vorrichtung.

Vorzugsweise handelt es sich bei dem verwendeten

Ionenaustauschermaterial um ein schwach saures

Ionenaustauscherharz. Dies sind Materialien, bei denen keine vollständige Dissoziation stattfindet. Unter einem schwach sauren Ionenaustauschermaterial wird insbesondere ein Material verstanden, wie dieses in Hartinger, Ludwig „Handbuch der Abwasser- und Recyclingtechnik für die metallverarbeitende Industrie", Carl Hanser Verlag München, Wien 1991, verstanden wird. Danach verhalten sich schwach saure Ionenaustauschermaterialien wie schwache Säuren.

Insbesondere kann ein Ionenaustauscherharz verwendet werden, welches Carboxylgruppen umfasst. Ein derartiges Ionenaustauschermaterial ist beispielsweise unter der

Bezeichnung Typ S8227 der Firma Lanxess verfügbar.

Das Ionenaustauschermaterial liegt vorzugsweise als

Granulat vor. Gemäß einer alternativen Ausführungsform der Erfindung können aber auch faserförmige

Ionenaustauschermaterialien verwendet werden.

Es versteht sich, dass alternativ zu einem schwach sauren Ionenaustauschermaterial auch die Verwendung eines stark sauren Ionenaustauschermaterials denkbar ist. Vorzugsweise wird das Ionenaustauschermaterial mit

Zinkionen beladen, indem dieses mit einer ein Zinksalz enthaltenden Suspension in Kontakt gebracht wird.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Ionenaustauschermaterial zu zumindest 0,5 %,

vorzugsweise zu zumindest 5 %, besonders bevorzugt zu zumindest 10 % und ganz besonders bevorzugt zu zumindest 25 % seiner totalen Kapazität mit Zinkionen beladen.

Über die Beladung mit Zinkionen kann der Zinkgehalt im aufbereiteten Wasser mit überraschend hoher Genauigkeit eingestellt werden. Beim Aufbereiten von Wasser scheint es insbesondere zu einem Austausch von Kalziumionen im Wasser durch Zinkionen des Ionenaustauschers zu kommen.

Die totale Kapazität des Ionenaustauschermaterials sowie die Beladung mit der jeweiligen Ionenart im Sinne der

Erfindung wird entsprechend der DIN 54403: 2009-04

bestimmt .

Entsprechend der in dieser Norm beschriebenen Bestimmung der totalen Kapazität über eine Beladung mit

Wasserstoffionen kann auch die Beladung mit den einzelnen Ionenarten bestimmt werden.

Bei einer Weiterbildung der Erfindung ist das

Ionenaustauschermaterial auch mit Wasserstoffionen beladen, insbesondere zu zumindest 0,5 %, vorzugsweise zu zumindest 5 %, besonders bevorzugt zu zumindest 10 % und ganz

besonders bevorzugt zu zumindest 25 % seiner totalen

Kapaz ität . Es liegt also ein lonenaustauschermaterial vor, welches teilweise mit Wasserstoffionen und teilweise mit Zinkionen beladen ist. Über die Wasserstoffionen kann vor allem eine gute Enthärtung des Trinkwassers erreicht werden.

Bei einer alternativen Ausführungsform der Erfindung, etwa zum Anreichern des Wassers mit Zinkionen, ist das

lonenaustauschermaterial überwiegend oder nahezu

vollständig, also zu mehr als 90 %, mit Zinkionen beladen.

Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist das lonenaustauschermaterial auch mit Magnesiumionen beladen, insbesondere zu zumindest 0,5 %, vorzugsweise zu zumindest 5 %, besonders bevorzugt zu zumindest 10 % und ganz besonders bevorzugt zu zumindest 25 % seiner totalen

Kapaz ität .

Es ist insbesondere vorgesehen, ein

lonenaustauschermaterial bereitzustellen, welches sowohl mit Zink, als auch mit Magnesium, als auch mit

Wasserstoffionen beladen ist. Vorzugsweise beträgt die Beladung mit jeder einzelnen Ionenart mindestens 5 % der totalen Kapazität.

Bei der Ausführungsform, bei welcher das

lonenaustauschermaterial mit Magnesiumionen beladen ist, kann neben einer Einstellung des Zinkgehalts auch der Magnesiumgehalt des aufbereiteten Wassers eingestellt werden. Denkbar ist auch eine Ausführungsform, bei welcher das Ionenaustauschermaterial nicht oder zu einem Anteil von weniger als 5 % mit Wasserstoff beladen ist. Es hat sich herausgestellt, dass sowohl Magnesium als auch Zinkionen durch Kalziumionen des Wassers ausgetauscht werden. Im Unterschied zu beispielsweise Beladung mit

Natrium wird ein seifiger Geschmack des Wassers verhindert und gleichzeitig das Wasser mit den Spurenelementen

Magnesium und Natrium angereichert.

Die Beladung mit Zinkionen kann 0,5 bis 100 %, vorzugsweise 0,5 bis 80%, besonders bevorzugt 0,5 bis 50 % und ganz besonders bevorzugt 5 bis 50 % der totalen Kapazität betragen.

Es versteht sich, dass bei Verwendung eines

Ionenaustauschermaterials mit einer Zinkionenbeladung von unter 100 % der verbleibende Teil mit anderen Ionenarten beladen ist, insbesondere mit Wasserstoffionen,

Magnesiumionen, Natriumionen oder Kaliumionen.

Neben der Verwendung eines Ionenaustauschermaterials, beispielsweise eines Granulats, bei welchem die einzelnen Partikel mit mehreren Ionenarten beladen sind, ist es gemäß einer Ausführungsform der Erfindung auch möglich,

Ionenaustauschermaterialien zu mischen, welche

unterschiedlich beladen sind. Insbesondere ist es gemäß einer Ausführungsform einer

Erfindung denkbar, ein überwiegend mit Zinkionen beladenes Ionenaustauschermaterial mit einem

Ionenaustauschwermaterial zu mischen, welches überwiegend mit Wasserstoffionen beladen ist und/oder mit einem

Ionenaustauschermaterial zu mischen, welches überwiegend mit Magnesiumionen beladen ist. Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Verfahren zur

Aufbereitung von Trinkwasser, insbesondere mittels der zuvor beschriebenen Vorrichtung. Dabei wird das Trinkwasser über ein mit Zinkionen beladenes Ionenaustauschermaterial geleitet .

Hierfür wird insbesondere das vorstehend beschriebene schwach saure Ionenaustauschermaterial mit den vorstehend genannten Beladungsanteilen verwendet. So lässt sich das Trinkwasser auf einen Zinkgehalt von 20 bis 3000, vorzugsweise von 50 bis 2000 und besonders bevorzugt von 100 bis 1000 pg pro Liter einstellen.

Der Zinkgehalt kann des Weiteren durch eine teilweise

Beladung des Ionenaustauschers mit einer anderen Ionenart, insbesondere mit Wasserstoff, Natrium, Kalium der

Magnesiumionen eingestellt werden.

Weiter kann durch eine Beladung mit Wasserstoff der pH-Wert des Trinkwassers durch die Beladung mit Zinkionen und eine optionale Beladung mit einer weiteren Ionenart (außer Wasserstoff) auf unter 7,5, vorzugsweise auf unter 7,0, eingestellt werden. Über das Verhältnis von Zink und optional weiteren

Ionenarten sowie Wasserstoff kann des Weiteren der pH-Wert auf über 6,0, vorzugsweise auf über 6,5, eingestellt werden . Gleichzeitig kann dem auf ereiteten Wasser Kalzium entzogen werden und somit die Carbonathärte reduziert werden. Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Verfahren zur

Beladung eines Ionenaustauschermaterials mit Zinkionen, insbesondere eines Ionenaustauschermaterials, welches für die vorstehend beschriebene Vorrichtung und das vorstehend beschriebene Verfahren verwendet wird.

Gemäß der Erfindung wird ein mit Wasserstoffionen beladenes Ionenaustauschermaterial mittels eines Zinksalzes zumindest teilweise mit Zinkionen beladen. Das Ionenaustauschermaterial wird also gemäß der Erfindung zunächst in die Wasserstoffform überführt und sodann mittels eines Zinksalzes zumindest teilweise mit Zinkionen beladen . Das Beladen mit Wasserstoff hat zum einen den Vorteil, dass das mit Wasserstoff beladene Ionenaustauschermaterial eine hohe Selektivität gegenüber Zink hat. Zum anderen kann das Ionenaustauschermaterial nach dem Beladen nur mit

Wasserstoff und Zink beladen ist und ist frei von

Natriumionen.

Als Zinksalz wird vorzugsweise ein Zinkoxid oder

Zinkcarbonat verwendet. Vorzugsweise wird das Zinksalz als Suspension zugeführt, insbesondere mit einem mittleren Partikeldurchmesser von unter 100 pm. Es hat sich gezeigt, dass über die Verwendung mit nicht in Wasser löslichen Zinksalzen so eine Beladung mit Zink in überraschend effektiver Weise erzielt werden kann .

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Der Gegenstand der Erfindung soll im Folgenden bezugnehmend auf schematisch dargestellte Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnungen Fig. 1 bis Fig. 5 näher erläutert werden.

Fig. 1 ist eine perspektivische Ansicht eines

Tischwasserfilters . Fig. 2 ist eine aufgeschnittene Ansicht einer Kartusche mit einem Ionenaustauschermaterial.

Fig. 3 zeigt eine Filterkerze. Fig. 4 zeigt schematisch die in den Tank einer Maschine zur Zubereitung von Getränken eingesetzte Kartusche.

Bezugnehmend auf Fig. 5 soll die Abhängigkeit des Gehalts an Zink im Trinkwasser bei unterschiedlichen Beladungen des Ionenaustauschermaterials mit Zinkionen näher erläutert werden .

Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen Fig. 1 zeigt in einer perspektivischen Ansicht einen

Tischwasserfilter 1.

Es handelt sich dabei um eine schwerkraftbetriebene

Wasseraufbereitungsvorrichtung, welche insbesondere im Haushalt verwendet wird. Der Tischwasserfilter 1 umfasst eine Filterkartusche 2, die in einen Trichter 3 eingesetzt ist, der seinerseits in die Kanne 4 eingesetzt ist. Über die Einfüllöffnung 6 kann Trinkwasser in den Trichter 3 eingefüllt werden, welches sodann die Kartusche 2

passiert und sich im Wassersammeiraum 5 sammelt.

Fig. 2 zeigt eine aufgeschnittene Ansicht der in Fig. 1 dargestellten Kartusche 2.

Die Kartusche 2 umfasst ein Gehäuse 7, welches zumindest eine Kammer umfasst, die mit einem Ionenaustauschermaterial 8 befüllt ist.

Bei dem Ionenaustauschermaterial handelt es sich

insbesondere um ein Granulat, welches Carboxylgruppen umfasst . Weiter kann die Kammer 9 noch mit weiteren

Wasseraufbereitungsmedien, insbesondere mit Aktivkohle (nicht dargestellt), befüllt sein.

Im Betrieb läuft über EinlaufÖffnungen 10 Wasser in die Kammer 9, passiert das Ionenaustauschermaterial und

verlässt über den Auslauf 11 die Kartusche 2.

Es versteht sich, dass in Strömungsrichtung vor und/oder nach dem Ionenaustauschermaterial 8 noch Filter oder Netze zum Entfernen von Schwebstoffen und/oder zum Zurückhalten des Ionenaustauschermaterials 8 vorgesehen sein können (nicht dargestellt) . Fig. 3 zeigt eine alternative Ausführungsform einer

Vorrichtung zur Aufbereitung von Trinkwasser, welche als Filterkerze 12 ausgebildet ist. Eine derartige Filterkerze 12 wird im Gegensatz zu der zuvor beschriebenen Kartusche nicht aufgrund der

Schwerkraft durchströmt, sondern wird über einen geeigneten Adapter an einer Trinkwasserleitung angeschlossen. Hierzu umfasst die Filterkerze einen Kopf 14 mit einem Gewinde 13.

Der Kopf 14 umfasst Ein- und Auslauf. Über das Gewinde 13 kann die Filterkerze 12 leicht eingeschraubt werden. Der grundsätzliche Aufbau derartiger Filterkerzen ist dem

Fachmann bekannt .

Fig. 4 zeigt schematisch dargestellt den Tank 15 einer Maschine zur Zubereitung von Getränken, insbesondere eines Automaten zur Zubereitung von Kaffee.

Der Tank 15 umfasst einen Ansaugstutzen 16, über welchen über eine Pumpe Wasser der Maschine zugeführt wird. In den Ansaugstutzen 16 eingesteckt ist eine

Filterkartusche 17, welche mit einem

Ionenaustauschermaterial 8 befüllt ist, das entsprechend vorstehend beschriebener Ausführungsformen teilweise mit Zink beladen ist.

Bezugnehmend auf das Liniendiagramm gemäß Fig. 5 soll der Einfluss der Zinkbeladung auf den Zinkgehalt des

aufbereiteten Trinkwassers näher erläutert werden. Auf der x-Achse ist die Menge des mit der Kartusche auf ereiteten Wassers in Litern aufgetragen. Auf der y-Achse ist der Zinkgehalt des aufbereiteten Wassers in ug/l aufgetragen.

Die Kurve 18 zeigt den Zinkgehalt des verwendeten

Trinkwassers, ohne dass dieses einer Wasseraufbereitung unterzogen wurde.

Zu erkennen ist, dass ein Wasser mit keinem nennenswerten Zinkgehalt verwendet wurde.

Bei Kurve 18 wurde ein schwach saures Ionenaustauscherharz verwendet, welches mit 0,06 mol Zn/1 beladen wurde.

Das Ionenaustauschermaterial für das Wasser gemäß Kurve 20 wurde mit 0,19 mol Zn/1 und das für Kurve 21 mit 0,36 mol Zn/1 Harz beladen.

Zu erkennen ist, dass der Zinkanteil im Wasser mit

überraschender Genauigkeit mit der Beladung des

Ionenaustauschermaterials mit Zinkionen korreliert, d.h. die doppelte Beladung mit Zinkionen führt in etwa zu einem doppelten Anteil an Zink im aufbereiteten Wasser.

Weiter ist zu erkennen, dass die Beladung mit Zink zunächst mit der Menge des gefilterten Wassers stark ansteigt und sodann bis zum Erreichen einer aufbereiteten Menge von 120 1 Wasser abnimmt.

Dies liegt daran, dass sich nach Einsetzen einer trockenen Kartusche Gleichgewichtsreaktionen erst einstellen müssen. Sodann nimmt der Anteil an Zink im Wasser kontinuierlich ab, die Kartusche erschöpft sich und wird beispielsweise nach der hier vorgesehenen Aufbereitung von 120 1 Wasser nicht weiterverwendet.

Durch die Erfindung kann auf einfache Weise Zink als wertvolles Spurenelement dem aufbereiteten Wasser hinzugefügt werden.

Bezugszeichenliste

1 Tischwasserfilter

2 Kartusche

3 Trichter

4 Kanne

5 Wassersammelräum

6 Einfüllöffnung

7 Gehäuse

8 Ionenaustauschermaterial

9 Kammer

10 EinlaufÖffnung

11 Auslauf

12 Filterkerze

13 Gewinde

14 Kopf

15 Tank

16 Ansaugstut zen

17 Filterkartusche

18-21 Kurve