Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum hygienischen Betrieb eines Ionen¬ austauschers insbesondere in der Wasseraufbereitung bei welchem der Io¬ nenaustauscher während einer Regenerierphase durch eine Regeneriermit¬ tellösung regeneriert wird. Die Erfindung betrifft weiter eine Anlage zur Durchführung des Verfahrens.

lonenaustauscheranlagen werden in großen Stückzahlen als Kationen¬ austauscher in Wohn- und Bürogebäuden zur Enthärtung von Trinkwasser eingesetzt. Da die Austauschkapazität jedoch endlich ist, muss in regelmä- ßigen Abständen eine Regeneration erfolgen. Hierfür wird zumeist Natrium¬ oder Kaliumchlorid, teilweise auch Magnesiumchlorid eingesetzt. Ein Prob¬ lem von Ionenaustauschern ist deren Neigung zu verkeimen, wobei die An¬ lage nach zwei Seiten offen ist, nämlich zur Rohwassereingangseite und zum Regenerationsmitteleintrag hin. Ursache der Verkeimung sind Bakteri- en, die eingangsseitig über das Trinkwasser auf den Ionenaustauscher ge¬ bracht werden, diesen besiedeln und wieder an das aufbereitete Wasser abgegeben werden. Daneben erfolgt der Bakterieneintrag über das Regene¬ riermittel bzw. dessen Bevorratung. Zur Desinfektion wird in der Praxis eine elektrolytische Chlorerzeugung eingesetzt. Chlor hat als Desinfektionsmittel jedoch gravierende Nachteile. Die desinfizierende Wirkung ist vom pH-Wert abhängig und nimmt im alkalischen Bereich über pH = 8 erheblich ab. Zu¬ dem kann Chlor mit Wasserinhaltsstoffen bzw. vom Ionenaustauscher abge¬ gebenen organischen Stoffen Geruchs- und Geschmacksstoffe bilden, die die Qualität des enthärteten Wassers negativ beeinträchtigen. Nachteilig ist auch, dass Chlor von einem gegebenenfalls im System gebildeten Biofilm gezehrt wird und nur unzureichend in der Lage ist, vorhandene Biofilme ab¬ zubauen..

Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die im Stand der Technik aufgetretenen Nachteile zu vermeiden und mit einem einfach handhabbaren System eine desinfizierende Wirkung beim Betrieb von lo- nenaustauschern zu erreichen.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird die im Patentanspruch 1 bzw. 12 angege¬ bene Merkmalskombination vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen An- Sprüchen.

Die Erfindung geht von dem Gedanken aus, Chlordioxid als biocide Sub¬ stanz über das Regeneriermittel bereitzustellen. Dementsprechend wird in verfahrensmäßiger Hinsicht vorgeschlagen, dass in der Regeneriermittellö- sung Chlordioxid in situ erzeugt und durch den Ionenaustauscher hindurch¬ geleitet wird. Dadurch ist kein gesonderter Verfahrensschritt notwendig, son¬ dern die Desinfektion kann mit der ohnehin notwendigen Regeneration kom¬ biniert werden. Zugleich wird damit auch einem möglichen Keimeintrag über das Regenerationsmittel entgegengewirkt. Die desinfizierende Wirkung von Chlordioxid ist weitestgehend pH-Wert-unabhängig. Chlordioxid reagiert we¬ niger mit organischen Inhaltsstoffen, und Reaktionen, die Geruchs- und Ge¬ schmacksstoffe bilden, sind nicht bekannt. Darüber hinaus baut Chlordioxid auch Biofilme ab. Trotzdem findet keine oxidative Schädigung des lonenaus- tauscherharzes statt.

Vorteilhafterweise wird der Regeneriermittellösung eine Chloritkomponente, insbesondere ein Erdalkali- oder Alkalichlorit zudosiert. Die Chloritkompo¬ nente ist das Edukt für die anschließende Chlordioxid-produzierende Elektro¬ lysereaktion. Speziell ist es von Vorteil, wenn die durch eine Kochsalzlösung gebildete Regeneriermittellösung mit Natriumchloritlösung beaufschlagt wird. Besonders bevorzugt wird einer Kochsalzsole als Regeneriermittel eine Nat-

riumchloritlösung so zudosiert, dass eine Natriumchloritkonzentration in der Kochsalzsole von 1 bis 5 g/l resultiert.

Eine weitere vorteilhafte Ausführung sieht vor, dass die Regeneriermittellö- sung in einem mit dem Ionenaustauscher verbindbaren Reservoir vorzugs¬ weise in regelmäßigen Zeitintervallen mit einer Chloritkomponente, insbe¬ sondere Natriumchlorit versetzt wird. Durch die allein mit diesem Zweikom¬ ponentensystem bewirkte Chlordioxidbildung kann auch eine Verkeimung des Reservoirs verhindert werden.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Maßnahme wird die Chloritkomponente als wässrige Lösung vorzugsweise über ein T-Stück einer Regeneriermittel¬ leitung in die Regeneriermittellösung eingeleitet, wobei die chlorithaltige Re¬ generiermittellösung vor der Durchleitung durch den Ionenaustauscher unter Erzeugung von Chlordioxid elektrolysiert wird.

Hierbei ist es günstig, wenn die chlorithaltige Regeneriermittellösung in einer Durchflusszelle zwischen zwei Elektroden unter Gleichspannung elektroly¬ siert wird und die Gleichspannung in vorgegebenen Intervallen, vorzugswei- se in aufeinanderfolgenden Regenerierphasen umgepolt wird. Auf diese Weise können nachteilige Oberflächeneffekte an den Elektroden vermieden werden.

Eine für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignete Anlage, welche ein über eine Leitung mit dem Ionenaustauscher verbindba¬ ren Reservoir zur Zuführung von Regeneriermittel aufweist, zeichnet sich dadurch aus, dass das Reservoir oder die Leitung aus einem Vorrat mit einer Chloritkomponente beaufschlagbar ist. Dadurch entfallen gesonderte Desin¬ fektionsschritte und aufwändige apparative Einrichtungen. Bevorzugt wird die Chloritkomponente durch ein Erdalkali- oder Alkalichlorit gebildet.

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Eine weitere Verbesserung wird dadurch erzielt, dass die Chloritkomponente in wässriger Lösung, vorzugsweise als Natriumchloritlösung über eine Pum¬ pe in die Leitung oder das Reservoir zudosierbar ist. Die Chlordioxiderzeu¬ gung in dem Reservoir erfolgt dabei ohne zusätzlich Oxidationsmittel oder Säuren, so dass kein besonderes Gefährdungspotential besteht.

Zur gezielten Chlordioxiderzeugung bei der Regeneriermittelbeaufschlagung des Austauschers ist es günstig, wenn in der Leitung eine Durchfluss- Elektrolysezelle für die chlorithaltige Regeneriermittellösung angeordnet ist. Dabei ist es von besonderem Vorteil, wenn die Durchfluss-Elektrolysezelle zwei umströmte Elektrodenstifte, vorzugsweise platzierte Titanstifte auf¬ weist.

Zur vorteilhaften Steuerung des Betriebsablaufs ist in der Leitung ein Ab- Sperrventil zur Absperrung gegenüber dem Ionenaustauscher angeordnet.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestell¬ ten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die einzige Figur zeigt ein schema¬ tisch vereinfachtes Anlagenschema einer lonenaustauscheranlage mit Chlordioxid-Desinfektion.

Die dargestellte lonenaustauscheranlage besteht im wesentlichen aus einem Ionenaustauscher 10, einem Reservoir 12 für Regeneriermittel 14, einem Vorrat 16 für Natriumchloritlösung 18 und einer Elektrolysezelle 20 in einer Verbindungsleitung 22 zwischen Reservoir 12 bzw. Vorrat 16 und Ionenaus¬ tauscher 10.

Der Ionenaustauscher 10 ist im Normalbetrieb an seinem Eingang 24 über ein Einlassventil 26 mit einem Rohwassereinlass 28 und an seinem Ausgang 30 über ein Auslassventil 32 mit einem Weichwasserauslass 34 verbunden.

Für den Regenerierbetrieb ist der Eingang 24 über das Ventil 36 mit der Ver¬ bindungsleitung 22 und der Ausgang 30 über das Ventil 38 mit einem Ab- wasserauslass 40 verbindbar, während die Ventile 26, 32 in dieser Phase geschlossen sind.

Die Zudosierung der Lösungen 14, 18 erfolgt durch Pumpen 42, 44, deren Ausgänge über ein T-Stück 46 gemeinsam in die Verbindungsleitung 22 münden.

Die Elektrolysezelle 20 ist mit ihren Spannungsanschlüssen 48, 50 an eine umpolbare Gleichspannungsquelle anschließbar. Die Elektroden 50 sind aus zylindrischen platzierten Titanstiften gebildet, die im Abstand parallel zuein¬ ander in einen Durchflussbereich ragen.

Im Normalbetrieb sind die Ventile 26,32 offen und die Ventile 36, 38 ge¬ schlossen. Das Rohwasser durchströmt unter Druck von den lonenaustau- scherbehälter 10 von oben nach unten. Dabei werden an der Oberfläche des Kationenaustauschers im Wasser enthaltene Calcium- und Magnesiumkati¬ onen gegen Natriumionen ausgetauscht, um so am Auslass 34 Weichwasser zapfen zu können und Kalkausfällung in der nachgeordneten Rohrleitungsin¬ stallation und den Armaturen zu minimieren.

Ist die Austauschkapazität des Ionenaustauschers 10 erschöpft, wird durch eine Steuerung eine Regeneration ausgelöst, indem die Ventile 26,32 ge- schlössen und die Ventile 36, 38 geöffnet werden. Die Pumpe 42 fördert das durch gesättigte Kochsalzsole (NaCI-Lösung) gebildete Regeneriermittel 14 in die Leitung 22, während die Pumpe 44 eine 30%-ige Natriumchloritlösung 18 (NaCIO ₂ -Lösung) zu Desinfektionszwecken über das T-Stück 46 zu¬ mischt, so dass eine Natriumchloritkonzentration in der Kochsalzsole von 1 bis 5 g/l resultiert. Nachfolgend wird diese Mischungslösung im Durchfluss durch die Elektrolysezelle 20 elektrolysiert. Hierbei sind folgende Oxidations-

Reaktionen mit den folgenden Standardoxidationspotentialen an der Anode möglich:

Cl ^" + H ₂ O -> HCIO + H ⁺ + 2 e ^" - 1 , 49 V

CIO ₂ - -> CIO ₂ (aq) + e ^" - 0,954 V

Die Reaktion an der Kathode ist die Reduktion der Protonen: ^'

H ⁺ + e- -> ¹ / ₂ H ₂

Da das Standardoxidationspotential des Chloritanions niedriger ist als das des Chloridanions, wird das Chloritanion zuerst oxidiert und es bildet sich nahezu ausschließlich Chlordioxid, welches sich vollständig in der Kochsalz- sole löst. Die Bildung des Wasserstoffs ist an der Gasbildung erkennbar. Aufgrund der Verfahrensführung ist der Umsatz an den Elektroden jedoch gering, so dass die Gasbildung nicht störend ist.

Die chlordioxidhaltige Kochsalzsole kann gemäß folgendem Beispiel erzeugt werden:

Es wird eine 8%-ige Kochsalzsole, welche 1 g/l Natriumchlorit. enthält, durch eine Durchflusselektrolysezelle geleitet. Unter den folgenden Randbedin¬ gungen werden mindestens 2 mg/l Chlordioxid erzeugt: - Volumenstrom der Natriumchlorithaltigen Kochsalzsole durch die E- lektrolysezelle: 6 l/min

- Elektroden: 2 zylindrische platinierte Titanstifte der Länge 20 mm in 5 mm Abstand

- Verweilzeit der Lösung an den Elektroden ca. 0,03s - Elektrolysespannung: 18 V Gleichspannung

- Stromfluss 5 A.

Das gebildete Chlordioxid wird als keimtötendes Mittel in der Mischungslö¬ sung über das lonenaustauschermaterial geleitet. Zur Entsorgung wird die Regeneriermittellösung über den Abwasserauslass 40 abgeleitet. Um Abla¬ gerungen auf den Elektroden 50 zu vermeiden, kann die Spannungsquelle in aufeinanderfolgenden Regenerierintervallen umgepolt werden.

Am Ende einer jeden Regenerierphase erfolgt eine Nachspülung des Aus¬ tauschers 10 und eine Wassernachspeisung in das Reservoir 12. Zu diesem Zweck wird neben den Ventilen 36, 38 auch das Einlassventil 26 geöffnet. Das Rohwasser verdrängt die Regenerationslösung und wäscht den Ionen¬ austauscher 10. Gleichzeitig wird über den Bypass 52 wieder Wasser in das Reservoir 12 geleitet, um das bei der Regeneration verbrauchte Volumen zu ersetzen. Die Kochsalzsole wird selbsttätig aus Kochsalztabletten gebildet, die sich in dem Reservoir 12 befinden.

Um auch eine Verkeimung des Regeneriermittels 14 zu verhindern, kann mittels der Dosierpumpe 44 Natriumchloritlösung in das Reservoir 14 zudo¬ siert werden. Dadurch entsteht auch ohne elektrolytische Reaktionsbe¬ schleunigung Chlordioxid als desinfizierendes Agens im Reservoir 12.

Durch Zudosierung eines Reduktionsmittels (z.B. Natriumsulfit) in das Rege¬ nerationsabwasser kann der Austrag von Chlorit oder Chlordioxid vermieden werden. Zu diesem Zweck ist es auch denkbar, das Regenerationsabwasser über eine Feststoffschüttung 54 aus Calciumsulfit abzuleiten. Alternativ dazu kann dem Verdrängungswasser Natriumsulfit zudosiert werden, so dass ü- berschüssiges Chlorit bzw. Chlordioxid schon nach Abschluss der Desinfek¬ tion im lonenaustauschermaterial zu Chlorid reduziert wird.

Wie nachfolgend ausgeführt, konnte die gewünschte Desinfektionswirkung in einem Vergleichsversuch nachgewiesen werden.

In einer Zweisäulen-Haushalts-Enthärtungsanlage mit jeweils 4,7 I stark sau¬ rem Kationenaustauscher wurden beide Säulen mit 100 ml 10E7/ml KBE E. coli kontaminiert. 24 Stunden später wurde die erste Säule mit elektrolytisch erzeugtem Chlor als desinfizierend wirkendem Agens regeneriert. Der Strom- fluss in der Elektrolysezelle betrug 0,6 bis 0,7A, wobei 0,5 bis 0,6 mg/l freies Chlor im Regenerationsabwasser bestimmt wurden.

Die zweite Säule wurde mit elektrolytisch erzeugtem Chlordioxid als desinfi¬ zierend wirkendem Agens regeneriert. Der Stromfluss in der Elektrolysezelle betrug 0,6 bis 0,7 A, und es wurden 0,5 bis 0,6 mg/l freies Chlordioxid im Regenerationsabwasser bestimmt.

Die Verkeimung mit E. coli wurde als KBE/ml und KBE/100 ml im Ablauf des Wassers in den angegebenen Zeitabständen direkt nach der Regeneration ermittelt. Der Wasserdurchfluss durch die Anlage lag bei 120 l/h. In der fol¬ genden Tabelle bedeutet "bewachsen" mehr als 2000 KBE/100. Die Ergeb¬ nisse zeigen die Überlegenheit von Chlordioxid als Desinfektionsmittel ge¬ genüber herkömmlich eingesetztem Chlor.

Zusammenfassend ist folgendes festzuhalten: Die Erfindung betrifft ein Ver¬ fahren und eine dafür geeignete Anlage zum hygienischen Betrieb eines Io¬ nenaustauschers 10 in der Wasseraufbereitung, wobei der Ionenaustau¬ scher 10 während einer Regenerierphase durch eine Regeneriermittellösung 14 regeneriert wird. Um zugleich eine desinfizierende Wirkung zu erzielen,

wird in der Regeneriermittellösung 14 Chlordioxid in situ erzeugt und durch den Ionenaustauscher 10 hindurchgeleitet.