ECA-Technologie - entwickelt für das russische Raumfahrtprogramm

Obwohl der Anstoß zur Entwicklung eines einfachen und effektiven Wasser-Aufbereitungssystems schon immer gegeben war, gibt es nur wenige Situationen, in denen diese Notwendigkeit zwingend und absolut ist. Eine solche Situation ergab sich im Raumfahrtprogramm. Astronauten haben eine begrenzte Wasserversorgung, die sie mitnehmen können, die wiederum kontinuierlich gereinigt und für lange Einsätze recycelt werden muss.

 

Das russische Raumfahrtprogramm, das sich auf die langfristige Orbitalreise konzentriert hat, erforderte die Entwicklung eines kontinuierlichen, effizienten und zuverlässigen Wasser-Recycling und -Reinigungssystems. Ihre Fähigkeit, die Astronauten ohne Frischwasser-Nachschub bis zu einem Jahr im Weltraum zu halten, zeugt vom Erfolg ihres auf elektrochemischer Aktivierung (ECA) basierenden Wasserreinigungssystems. 

Diese Technologie, deren Entwicklung rund zwanzig Jahre gedauert hat, wurde in Russland erfolgreich für den zivilen Einsatz ausgegliedert und wird derzeit im Rest der Welt von ElixirION Waters vermarktet. ECA hat das Potential, die grundlegende Wasseraufbereitungs-Technologie zu revolutionieren und die Technologie ist sowohl für die industrielle als auch für die private Wasseraufbereitung anwendbar.

 

Das Prinzip der ECA-Technologie

Die elektrochemische Aktivierung von Wasser beinhaltet die positive und vorteilhafte Beeinflussung des Wassers und der physikalischen oder chemischen Eigenschaften der darin enthaltenen natürlichen Salze oder der ihm zugesetzten Salze. Stellt man eine Anode (Pluspol) und eine Kathode (Minuspol) in reines Wasser und legt Gleichstrom an, erfolgt die Elektrolyse von Wasser an den Elektroden, was zur Zerlegung des Wassers in seine Bestandteile führt und gasförmigen Sauerstoff und Wasserstoff erzeugt.

 

Die Galvanotechnik ist ein ähnlicher Prozess, bei dem man dem Wasser beispielsweise Chromsalze zusetzt. Am Pluspol befindet sich das Metall, das aufgebracht werden soll, am Minuspol der zu beschichtende Gegenstand. Der elektrische Strom löst dabei Metallionen von der Verbrauchselektrode ab und lagert sie durch Reduktion auf dem Werkstück ab. So wird der zu veredelnde Gegenstand allseitig gleichmäßig mit Chrom oder einem anderen Metall beschichtet.

Wenn bei der elektrochemischen Aktivierung des Wasser Natriumchlorid (NaCl) oder Kochsalz als Lösung verwendet wird, ist das dominierende Endprodukt der Elektrolyse Chlor, eine Reagenz auf Chlorbasis, das häufig zur Behandlung von Wasser zum Abtöten von Mikroorganismen verwendet wird.

Der für das russische Raumfahrtprogramm entwickelte ECA-Prozess basiert auf dieser Reaktion, wobei die wichtigste Innovationen die Zwischenschaltung einer Ionen-durchlässigen Membran (Diaphragma) zwischen den positiven und negativen Elektroden sowie das Design und die verwendeten Materialien für die Elektroden sind. Der elektrochemische Reaktor ist durch eine Zirkonoxid- oder Polymer-Membran getrennt. Die in diesem Reaktor verwendete Basislösung ist eine 1- bis 4-prozentige NaCl-Lösung, die in zwei Kanäle unterteilt wird, von denen eine durch die Anoden- und die andere durch die Kathoden-Kammer läuft und einer kontrollierten elektrischen Potentialdifferenz zwischen Anode und Kathode ausgesetzt wird.

 

Diese Potentialdifferenz bewirkt, dass die Na+ und Cl- Ionen zum Pol der entgegengesetzten Ladung wandern. Die speziell entwickelte Membran lässt die Ionen ungehindert passieren, was zu einer Anreicherung von Chlor-Ionen in der Anoden-Kammer und Natrium-Ionen in der Kathoden-Kammer führt. Ebenso wird das Wasser stark ionisiert und neigt auch dazu, zum gegenüberliegenden Pol zu wandern. Es ist die Bildung dieser komplexen chemischen Art und Weise, die dazu führten, dass die gebildeten Lösungen als "elektrochemisch aktiviertes Wasser" beschrieben wurden.

Einige der wichtigsten gebildeten reaktiven Bestandteile sind Hypochlorit, ein Salz der Hypochlorigen Säure (HClO), Molekulares Chlor (Cl2) und Chlorsäure (HClO3). 

 

Die ECA-Technologie der sol-Generatoren von Lösungen

Die pH-neutrale Natriumchlorid (NaCl)-Lösung (Salzlösung, Sole) wird dem Rohwasser zugesetzt und in die Anoden- und Kathoden-Kammer der Zelle geleitet. Die beiden Kammern sind durch eine Membran (Diaphragma) voneinander getrennt.

Anode (+) positiv geladene Elektrode

An der Anode erfolgt eine Oxidation

(Elektronenabgabe).

In der Anoden-Kammer formieren sich

reaktive Moleküle, Anionen und Freie Radikale:

Hypochlorige Säure (HClO)

Hypochlorid-Ione (ClO-)

Hydroperoxid-Ione (HO2-)

Hydroperoxid-Radikale (HO2)

Hydroxid-Radikale (OH°)

Wasserstoffperoxid (H2O2)

Chlor-Radikale (Cl°)

Singulett-Sauerstoff (1O2)

 

Molekularer Sauerstoff (O2)

Es entsteht saures, oxidierendes Wasser

(Anolyt oder Anolixir®STRONG)

mit einem positiven ORP (Redox-Potential.

 

pH: ~ 2,4 bis 4,0

ORP: ~ +1.200 mV

Kathode (-) negativ geladene Elektrode

An der Kathode erfolgt eine Reduktion

(Elektronenaufnahme).

In der Kathoden-Kammer formieren sich

reaktive Moleküle, Kationen und Antioxidantien:

Natriumhydroxid (2NaOH)

Hydroperoxid-Ione (HO2-)

Hydroxid-Ione (OH-)

Wasserstoffperoxid (H2O2)

Chlorsäure (HClO3)

Wasserstoff-Ione (H+)

Molekularer Wasserstoff (H2)

Es entsteht alkalisches, reduziertes Wasser

(Katholyt oder Katholixir®)

mit einem negativen ORP (Redox-Potential).

 

pH: ~ 10,0 bis 12,0

ORP: ~ -1.000 mV

 

Die Lösungen und der Unterschied zwischen herkömmlicher Elektrolyse und Diaphragmalyse

Die konzentrierten und sehr reaktiven Lösungen können zur Behandlung von Wasser verwendet werden, wobei das oxidative Anolyt Mikroorganismen und organische Substanzen zerstört, während das anti-oxidative Katholyt für die Fällung von Metall-Ionen verwendet wird.

 

Die Lösungen können einen Großteil ihrer Aktivität über viele Monate oder sogar Jahre aufrechterhalten. Wenn sie in bestimmten Anteilen gemischt werden, können sie ein stabiles, neutrales Produkt (Anolixir®) bei pH 6,5 bis 7,5 mit einem Redox-Potential (ORP) von +650 mV bilden. Die sporizide Aktivität kann über viele Wochen aufrechterhalten werden, wobei die keimtötende Wirkung über Monate oder Jahre andauert. Diese Stabilität ist abhängig von der Leistungsdichte, die bei der Herstellung der Flüssigkeiten verwendet wird.

Der wesentliche Unterschied zwischen der konventionellen Elektrolyse von NaCl-Lösungen besteht darin, dass die Ionen-selektive Membran im ECA-Prozess die Konzentration von Ionen ermöglicht, die zur Bildung von Chlor-basierten Mischoxidantien führen. Trotz der Ähnlichkeit der Verfahren reagieren die meisten der an der Anode und Kathode gebildeten, komplexen reaktiven Spezies miteinander und werden sofort neutralisiert, wobei die Hypochlorige Säure der dominante, stabile Bestandteil ist.

 

Im ECA-Prozess werden nicht nur zwei reaktive Lösungen gebildet, sondern insbesondere die Anolyt-Lösung hat eine höhere mikrobielle Zerstörungskraft als Chlor-basierte Lösungen im Vergleich zu den messbaren Chlorid-Ionen (Cl-) in der Lösung. Dadurch verfügt das Anolyt über hervorragende sterilisierende und desinfizierende Eigenschaften, da die in der Lösung vorhandenen reaktiven Spezies (HClO, ClO, CI-, usw.) Mikroorganismen und organische Moleküle effektiver zerstören als Chlor allein.

Chlor, das eine Schlüsselkomponente der Anolyt-Lösung ist, chloriert das Wasser effektiv, jedoch wird durch das geringe Redox-Potential des zugesetzten Anolyt die Bildung potenzieller toxischer Chlorkohlenwasserstoffe minimiert, da das geringe Redox-Potential der Lösung deren Bildung nicht begünstigt. Damit ist Anolyt ein wirksames Mittel, um Organismen, die für die Gesundheit von Belang sind (E.Coli, Cholera, ...), aus dem Wasser zu eliminieren und gleichzeitig organische Bestandteile zu zerstören, die häufig mit Geschmack und Farbe in Verbindung gebracht werden.

Das Katholyt wiederum hat keine sterilisierenden Eigenschaften, ist jedoch nützlich, da sich die Dominanz der OH-Ionen und ihre reduzierende Wirkung effektiv verbinden, um Metall-Ionen aus der Lösung auszufällen. Hartes Wasser, das sich typischerweise durch einen hohen Gehalt an Calcium (Ca), Magnesium (Mg) und Eisen (Fe) auszeichnet, wird durch Ausfällung dieser Ionen aus der Lösung deutlich weicher.

Typische kommerzielle Anwendungen von Anolyt sind die Trinkwassergewinnung, die Aufrechterhaltung der Wasserqualität in Schwimmbädern und die Abwasserbehandlung, wobei die Kontrolle der Wasserhärte in der Wasseranwendung der Hauptanwendungsbereich von Katholyt ist (gerade dort, wo der Aufbau von Kalkablagerungen ein Problem darstellt, wie in Kesseln und Dampferzeugern).

Damit ist die ECA-Technologie ein großer Fortschritt in der Wasseraufbereitung, da sie die Fähigkeit der Ozonisierung, Chlorierung und UV-Strahlung kombiniert und gleichzeitig eine Möglichkeit zur Behandlung organischer Verbindungen im Wasser sowie der Wasserhärte bietet.

 

Die ECA-Technologie der ios Wasser-Ionisatoren

Obwohl das ElixirION Waters sol-System für die Wasserreinigung operativ recht einfach ist, erfordert es Überwachung, Dosierung, Verdünnung und im Allgemeinen eine sorgfältige Kontrolle - alles Anforderungen, die für einen sicheren Betrieb durch die Allgemeinheit nicht geeignet sind.

 

Durch die Rekonfiguration des sol-Systems (Generatoren von Lösungen) und die Zugabe einiger Komponenten ist es möglich, Wasser kontinuierlich durch ECA-Technologie zu reinigen, solange es einen angemessenen Mineralisierungsgrad aufweist. Das ios-System (Wasser-Ionisatoren) arbeitet nach dem Prinzip des sol-Systems, jedoch nur unter Verwendung der in der Wasserquelle vorhandenen natürlichen Salze als Ionen-Quelle.

Diese werden beim Einschalten der Stromversorgung an ihre entgegengesetzten Pole durch die Membran angezogen. Obwohl die Salzgehalte viel niedriger sind (0,1 bis 1,5 g pro Liter) als in der o. g. NaCl-Lösung, findet die elektrochemische Aktivierung analog zum sol-System statt. Ziel ist es jedoch, das durch das System strömende Wasser zu sterilisieren, anstatt eine konzentrierte Lösung für die spätere Verwendung herzustellen.

Auch hier werden jedoch chlorhaltige Substanzen sowie eine pH-Senkung der starken Oxidantien erzeugt, die das organische Material im Wasser chemisch angreifen, darunter Bakterien, Viren und Parasiten. Um diese wichtigen Reaktionen fortzusetzen und abzuschließen, durchläuft das Anolyt eine Wirbelreaktionskammer, die in das ios-System integriert wurde.

Dann durchläuft die Lösung eine Kammer mit Aktivkohle und einem Magnesiumoxid-Katalysator, in der alle verbleibenden aktiven Oxidationsmittel abgebaut werden - ein Prozess, der von weiteren oxidativen Reaktionen begleitet wird. Die Aktivkohle dient zur Aufnahme von Restchlor aus der Lösung sowie von neutralen organischen Verbindungen.

 

Die Lösung gelangt anschließend in die Kathoden-Kammer, wo das Wasser und seine oxidierten Bestandteile einem hohen pH-Wert ausgesetzt sind. Verbleibende, aktive oxidierende Bestandteile werden reduziert und der saure pH-Wert des Anolyts (Anolixir®) wird neutralisiert. Wenn das Ausgangswasser hart ist, reagieren die OH- Ionen aus dem Katholyt (Katholixir®) mit den natürlichen Metall-Ionen (Calcium, Magnesium, usw.) sowie toxischen Schwermetallen, um sie als Hydroxide auszufällen.

 

Das Endergebnis ist gereinigtes, anti-oxidatives Wasser - ElixirION Water® - frei von Mikroorganismen, mit guten Mineralisierungs-Graden und einem pH-Wert, das dem Ausgangs- oder auch Quellwassers sehr ähnlich ist (Erhöhung des pH-Werts um etwa 0,5 bis 1).  

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