Elektrochemische Wasserdesinfektion: Hocheffektiv ohne Chemikalienzugabe und mit Depotwirkung

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1 Elektrochemische Wasserdesinfektion: Hocheffektiv ohne Chemikalienzugabe und mit Depotwirkung Alexander Kraft, Dieter Kreysig und Maja Wünsche Wasser ist nicht nur die Lebensgrundlage für Menschen, Tiere und Pflanzen sondern auch für Mikroorganismen, wie Bakterien, Viren, Pilze und Hefen. Die Desinfektion von Wasser, ob Trinkwasser, Bade-, Brauch-, Prozeß- oder Abwasser aber auch von Reinstwasser ist in unserer modernen Massengesellschaft daher nicht verzichtbar, will man die Ausbreitung von Krankheiten und Seuchen verhindern und jederzeit eine hohe Produktqualität in industriellen Prozessen garantieren. Desinfektion bedeutet dabei die Abtötung im Wasser vorhandener Mikroorganismen so dass ihre Anzahl um mindestens 5 Grössenordnungen herabgesetzt wird. Desinfektionsverfahren lassen sich in chemische und physikalische Methoden einteilen. Bei den chemischen Methoden wird ein desinfizierend wirkender Stoff wie z.b. Chlor, Natriumhypochlorit, Ozon, Chlordioxid oder andere dem zu desinfizierenden Wasser hinzugegeben. Diese Verfahren haben sich über Jahrzehnte bewährt und liefern neben der sicherenabtötung der Mikroorganismen auch eine Depotwirkung, so daß das desinfizierte Wasser auch nach der Behandlung noch eine zeitlang gegen erneute mikrobielle Kontamination geschützt ist. Nachteil der chemischen Verfahren sind oft unerwünschte Nebenreaktionen mit Wasserinhaltsstoffen sowie die Risiken bei Transport, Lagerung und beim Umgang mit Gefahrstoffen wie Chlor, Ozon oder Chlordioxid. Bei den physikalischen Verfahren erfolgt die Entfernung bzw. Abtötung der Mikroorganismen z.b. durch ihre Bestrahlung mit ultravioletter oder ionisierender Strahlung, durch Einwirkung von Ultraschall oder durch ihre Abtrennung über entsprechend geeignete Filtrationsmembranen. Der Nachteil der physikalischen Verfahren liegt insbesondere in der fehlenden Depotwirkung, d.h. diese Verfahren wirken nur im unmittelbaren Einwirkungsbereich der entsprechenden Geräte selbst, so dass eine schnelle Wiederverkeimung nicht verhindert wird. Die elektrochemische Wasserdesinfektion nutzt die elektrochemische Erzeugung desinfizierend wirkender Stoffe direkt im zu desinfizierenden Wasser, entweder aus dem Wasser (Ozon) selbst oder aus seinen vorhandenen Inhaltsstoffen (Chlorid wird zu freiem Chlor). Die Vorteile der elektrochemischen Wasserdesinfektion im Vergleich zu herkömmlichen Desinfektionsverfahren liegen auf der Hand: Transport und Bevorratung der Desinfektionsmittel entfallen, die Desinfektionswirkung wird entsprechend dem Bedarf vor Ort geregelt, es ist eine Depotwirkung vorhanden und das Verfahren ist in der Regel preiswerter und wartungsärmer als die oben genannten. Wirkprinzip Allen Ausführungsvarianten der elektrochemischen Wasserdesinfektion ist gemeinsam, daß zwei oder mehr Elektroden (mindestens jedoch eine Anode und eine Kathode) in das zu behandelnde Wasser oder einen Teilstrom desselben eingebracht werden. An diese Elektroden wird eine Gleichspannung angelegt, wobei die Polarität der Elektroden gegebenenfalls in einem bestimmten Rhythmus gewechselt werden kann.

2 Abbildung 1: Durchflußreaktorrohr mit Elektrodenpaket für die elektrochemische Wasserdesinfektion Welche Stoffe können bei der elektrochemischen Desinfektion von Wasser entstehen? Tabelle 1 gibt eine Übersicht über in Frage kommende Reaktionsprodukte der Anodenund Kathodenreaktion in Wasser mit üblichen Wasserinhaltsstoffen, wie Chlorid oder Sulfat. Substanz Ausgangsstoff Standardredoxpotential / VNHE Bildungsgleichung Anodenreaktionen OH H 2 O 2,85 H 2 O OH + H + + e - O H 2 O 2,42 H 2 O O + 2 H e - S 2 O 8 2- SO 4 2-2,12-2 HSO 4 S 2 O H e - O 3 H 2 O 2,08 H 2 O 2 H 2 O 1,78 H 2 O + O 2 O H e - 2 H 2 O H 2 O H e -

3 MnO 4 - Mn 2+ 1,51 Mn H 2 O MnO H + + 5e - Cl 2 Cl - 1,36 2 Cl - Cl e - O 2 H 2 O 1,23 2 H 2 O O H e - Br 2 Br - 1,07 2 Br - Br e - Kathodenreaktionen H 2 H 2 O 0 H 2 O 2 O 2-0,15 V 2 H 2 O + 2 e - H OH - O H 2 O + 2 e - H 2 O OH - Tabelle 1: Standardredoxpotentiale und Bildungsgleichungen der für die Kathoden- und Anodenreaktionen bei der elektrochemischen Wasserdesinfektion relevanten Substanzen Wie aus den Standardredoxpotentialen für die einzelnen möglichen Reaktionen ersichtlich, ist bei Abwesenheit von Bromid die elektrolytische Spaltung von Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff die wahrscheinlichste Reaktion. Bei Vorhandensein von Chlorid im Wasser entsteht in einer Nebenreaktion zur Sauerstoffentwicklung anodisch ein Produkt, auf dem in den meisten Anwendungsfällen die desinfizierende Wirkung der elektrochemischen Wasserdesinfektion beruht. Es ist das aus dem Chloridgehalt des Wassers erzeugte Hypochlorit OCl - bzw. die Unterchlorige Säure HOCl (zusammen auch als freies Chlor bezeichnet). "Freies Chlor" Bei diesem Vorgang entsteht zuerst aus dem im Wassers gelösten Chloridionen in einer elektrochemischen Reaktion Chlor nach: 2 Cl - Cl e - (1) Dieses hydrolysiert im Wasser sofort und es entsteht Unterchlorige Säure HClO. Cl 2 + H 2 O HClO + HCl (2) Diese steht mit dem Hypochlorit-Anion in einem ph-wert-abhängigen Gleichgewicht. HClO ClO - + H + (3) Die Desinfektionswirkung von Unterchloriger Säure und auch Hypochlorit beruht auf der Abgabe von atomaren Sauerstoff nach folgenden Gleichungen: HClO O + Cl - + H + (4) ClO - O + Cl - (5) Das Chlorid, aus dem sich in der primären elektrochemischen Reaktion Chlor gebildet hatte, wird also bei der desinfizierenden Wirkung zurückgebildet. Es kommt also nach der erfolgten elektrolytischen Wasserdesinfektion zu keine Veränderung der chemischen Zusammensetzung des desinfizierten Wassers. Die Menge des erzeugten freien Chlors hängt in ganz starkem Masse vom Chloridgehalt des Wassers und vom eingesetzten Elektrodenmaterial ab (Abb. 2)

4 Abbildung 2: Abhängigkeit der elektrochemischen Produktion von freiem Chlor vom Chloridgehalt des Wassers an ausgewählten Elektrodenmaterialien Spuren von Bromid im Wasser haben die Bildung von ebenfalls desinfizierend wirkendem HBrO zur Folge. Die katodische Erzeugung von Wasserstoffperoxid aus im Wasser gelöstem Sauerstoff kann ebenfalls zur Abtötung von Mikroorganismen eingesetzt. Wasserstoffperoxid ist aber ein weniger starkes Desinfektionsmittel als freies Chlor und in Trinkwasser zur Desinfektion nicht zugelassen. Ozonerzeugung In chloridfreien oder chloridarmen Wasser ist die in-situ Erzeugung von freiem Chlor als Desinfektionsmittel natürlich nicht möglich, wenn man auf die Zumischung von Chlorid verzichten möchte. Prinzipiell könnte Ozon, erzeugt nach: 3 H 2 O O e H + (6) aus dem zu behandelnden Wasser, als Desinfizienz dienen. Herkömmliche elektrochemische Ozongeneratoren konnten bisher aber nicht direkt insitu im zu behandelnden Wasser eingesetzt werden. Durch einen neuen Elektrodenaufbau ist das seit kurzem möglich. Dieser Aufbau setzt ein oder mehrere Elektrodensandwiches, jeweils bestehend aus einer diamantbeschichteten Anode, einer Kathode und einer dazwischen angeordneten Ionenaustauschermembran ein. Sie kann problemlos in einfache Rohrreaktoren oder andere Elektrolysevorrichtungen eingebaut werden, wobei Ozon mit hohen Stromausbeuten produziert werden kann.

5 Anwendungsbeispiele Trinkwasserkreisläufe insbesondere im Warmwasserbereich von größeren Gebäuden des öffentlich-gewerblichen Bereichs bergen aus verschiedenen Gründen immer ein gewisses Verkeimungsrisiko. Bekannt sind vor allem immer wieder Meldungen über Legionellenbefall. Bekannt sind Schlagzeilen, wie "Todesbakterien im Adlon" (Berliner Kurier ), "Legionellen-Alarm in Berliner Luxushotel" (Berliner Morgenpost ) oder der Legionellenbefall im Krankenhaus Eisenhüttenstadt (Sommer 2003). Abbildung 3: AquaDes-Elektrolyseanlage der AquaRotter GmbH, Ludwigsfelde zur Trinkwasserdesinfektion Was sind die Ursachen verstärkter bakterieller Kontaminationen gerade auch in modernen Gebäuden? Legionellen, wie viele andere Bakterien kommen natürlicherweise in vielen Gewässern vor. Ihre Zahl ist dort in der Regel so gering, dass keine gesundheitliche Gefährdung besteht. Wenn jedoch optimale Lebensbedingungen geboten werden, können sie sich lawinenartig vermehren und stellen dann insbesondere für Menschen mit geschwächtem Immunsystem (alte und kranke Menschen sowie für Kinder) eine Gesundheitsgefahr dar. Von der Firma AquaRotter GmbH wird seit 1998 mit der AquaDes eine für solche Fälle optimierte elektrochemische Anlage zur Wasserdesinfektion angeboten (Abbildung 3). Seitdem sind ca. 400 Anlagen installiert worden. Im Kreislaufwasser von Autowaschanlagen können unter bestimmten Bedingungen die Stoffwechselprodukte anaerober Bakterien zu starken Geruchsbelästigungen führen. Durch die elektrochemische Produktion von geringen Mengen Hypochlorit und von großen Mengen an Sauerstoff kann dieses Problem schnell, effizient und sicher gelöst werden. Der Einsatz von Chemikalien ist nicht mehr notwendig. Der Anlagentyp Hypocell ist speziell für diesen Einsatzfall entwickelt wurden. Abbildung 4: Hypocell - Elektrolyseanlage der Gerus mbh Berlin zur Keimminimierung von Kreislaufwasser in Fahrzeugwaschanlagen Die elektrochemische Wasserdesinfektion ist eine interessante und effiziente Alternative zu herkömmlichen Desinfektionsverfahren, die duch die in den

6 letzten Jahren erfolgten Weiterentwicklungen und die gewonnenen umfangreichen Praxiserfahrungen ein immer breiteres Einsatzfeld gewinnt. Alexander Kraft Gesimat GmbH Köpenicker Str Berlin Tel.: +49 (0) Fax: +49 (0) Dieter Kreysig AquaRotter GmbH Parkstr Ludwigsfelde Tel.: +49 (0) Fax: +49 (0) Maja Wünsche Gerus mbh Ostendstr Berlin Tel.: +49 (0) Fax: +49 (0) wuensche@gerusonline.com